Appunti di Storia della chimica

Ere della chimica

Se per Chimica intendiamo la disciplina rigorosa basata sul metodo scientifico e

affrancatasi dall’alchimia, allora la sua origine va datata nei secoli XVII e XVIII: c’è

chi considera l’inglese Robert Boyle (1627-1691) come il primo chimico della storia,

grazie al suo utilizzo sistematico dei primi metodi sperimentali di indagine.

Poiché, in realtà, egli non si affrancò mai completamente dall’alchimia, in molti

ritengono che il primo chimico della storia sia piuttosto il francese Lavoisier

(1743-1794). Lavoisier, infatti, introdusse e sviluppò sistematicamente i metodi

quantitativi d'indagine dando vita alla cosiddetta Rivoluzione Chimica che decretò la

fine dell’alchimia.

Se, invece, per Chimica intendiamo l’insieme di attività di tutti coloro che nel corso

della storia hanno indagato le proprietà e le trasformazioni della materia, allora è con

la scoperta del fuoco che ha inizio la storia della chimica.

Le Principali ere della storia della chimica.

Periodo pre-alchimistico o protochimica: dalla preistoria al III secolo d.C.

- parte pratica: fabbri, tessitori, conciatori, ceramisti, sacerdoti, guaritori, ecc.;

- parte teorica: filosofi naturalisti che, combinando le conoscenze tecniche degli

artigiani con le proprie elaborazioni teoriche, portarono alla dottrina dei quattro

elementi – fuoco, acqua, terra e aria - alla base di tutte le indagini sperimentali per

circa duemila anni.

Periodo alchimistico: dal 300 al 1500 d.C.

Agli alchimisti dobbiamo lo sviluppo di diverse tecniche sperimentali favorendo così

la preparazione e classificazione di nuove sostanze.

Verso la fine di questo periodo (1500 d.C.) si annovera anche la nascita della

Iatrochimica ad opera dello svizzero Paracelso (1493-1541) che spostò l’interesse

dell’alchimia dalla pietra filosofale ed elisir di lunga vita a nuovi rimedi alle malattie.

Periodo dell’unificazione: dal 1600 al 1700 d.C. che segnò la nascita della Chimica

come scienza indipendente dalle altre scienze naturali.

Gli storici hanno suddiviso questo periodo in tre sottoperiodi:

• sottoperiodo pneumatico: i gas furono identificati come sostanze diverse dall’aria,

se ne studiarono le proprietà fisiche e l’identità chimica

• sottoperiodo flogistico: contemporaneo del precedente, nacque la teoría del

flogisto del tedesco Georg Ernst Stahl (1660-1734) utilizzata inizialmente per

spiegare la combustione e la calcinazione dei metalli poi, per quasi un secolo,

l’interpretazione di tutti i fenomeni chimici.

• sottoperiodo anti-flogistico: la ‘rivoluzione chimica’ di Lavoisier sconfisse la teoria

flogistica spiegando, su base sperimentale e quantitativa, il ruolo dell’ossigeno nella

combustione e calcinazione dei metalli. Sempre a lui si devono la definizione di

elemento chimico e la legge della conservazione della materia.

Periodo delle leggi quantitative: copre i primi 60 anni del 1800.

- teoria atomica dell’inglese John Dalton (1766-1844)

- teoria atomico-molecolare del piemontese Amedeo Avogadro (1776-1856)

- legge degli atomi del siciliano Stanislao Cannizzaro (1826-1910), connessa alla

determinazione dei pesi atomici e molecolari.

Poco dopo, 1869, il russo Dimitrij Ivanovič Mendeleev (1834-1907) presenta la

Tavola Periodica degli Elementi.

Periodo moderno: fine XIX prima metà del XX secolo d.C.

segna l’inizio della sintesi organica, vede nascere le teorie sulla conduzione

elettrolitica e sulla termodinamica (nascita della chimica-fisica), la scoperta della

radioattività, l’evoluzione della struttura atomica, il tutto in stretta connessione con la

Fisica e la Biologia.

Dai metalli ai colori

Periodo pre-alchimistico o protochimica: dalla preistoria al III secolo d.C.

L’uomo prese atto, pur passivamente, della possibilità di trasformare la materia

quando iniziò ad osservare la trasformazione della materia ad opera di fenomeni

naturali (es. incendi, deterioramento del cibo, ecc.).

La “chimica” nasce quando ebbe appreso l’arte di accendere e tenere in vita il fuoco

(ca. 2.5 mln - 1.5 mln anni fa). Una volta appresa quest’arte e dopo una lunga

pratica di osservazione dei fenomeni di trasformazione della materia, l’uomo diventa

capace di raccogliere minerali e lavorarli per ottenere i metalli, di modellare e

colorare oggetti di creta e terracotta, di preparare unguenti e medicamenti per la

cura personale o quella di alcune malattie.

Probabilmente il primo chimico fu un fabbro-minatore.

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E’ proprio con la metallurgia che l’uomo impara a trasformare lo stato di alcune

sostanze per renderle più utili alle sue varie attività.

Già nel Neolitico (10.000/8.000-2.200 a.C.) l’uomo utilizzava il rame nativo, l’oro,

l’argento e il ferro meteorico e le prime città, sorta tra il Tigri e l’Eufrate 6000 anni

fa, videro la lavorazione di metalli in quantità sempre maggiori.

In Egitto, Asia Minore, Mesopotamia e Palestina furono ritrovati i primi forni e

procedimenti metallurgici.

La scoperta del bronzo (lega rame-stagno) diede grande impulso al settore e

spinse alla ricerca di nuove miniere, facendo nascere la figura del fabbro-minatore,

particolarmente venerati grazie alla loro conoscenza metallurgica indispensabile per

la costruzione di armi e utensili robusti.

La svolta fu rappresentata dallo scoprire che i metalli nativi potevano essere ricavati

dai loro minerali.

Il primo metallo a cui fu applicato questo processo fu il rame, intorno al 4.000 a.C.,

perché la fusione dei suoi minerali era particolarmente facile. Probabilmente ciò si

scoprì osservando che alcune pietre verde-azzurre (malachite, Cu2(CO3)(OH)2 o

oppure verde-giallognole (calcopirite, CuFeS2 o altri solfuri), scaldate con fuoco di

legna, erano convertite in rame metallico.

Si aprì così l’età del rame.

Intorno al 3.000 a.C. i Sumeri scoprono una sua lega con lo stagno, il bronzo (da cui

iniziò l’età del bronzo, 3.000-1100 a.C.), poi ampiamente utilizzato per la costruzione

di armi e armature grazie alla sua maggiore durezza.

In realtà, nell’età del bronzo, era già noto un altro metallo piuttosto duro: il ferro.

Tuttavia, rimase quasi inutilizzato finché non si scoprì il modo per ottenerlo dai

minerali (Il limite era rappresentato dalla sua temperatura di fusione (1.500°C), in

quanto le migliori fornaci a legna dell’epoca non superavano i 1.200°C).

Il problema fu risolto in Asia Minore, forse ad opera degli Ittiti verso il 1.500 a.C.,

grazie all’impiego di carbone di legna che, con opportuna ventilazione, consentì di

raggiungere le temperature richieste.

Probabilmente in Cina vi arrivarono ancor prima, perché beneficiavano di minerali di

ferro contenenti fosforo con conseguente abbassamento del punto di fusione.

Il bronzo, tuttavia, risultava ancora superiore rispetto al ferro puro in termini di

durezza e resistenza e, quindi, più adatto per scopi bellici.

Le cose cambiarono quando si scoprì che, scaldando il ferro a contatto con il

carbone di legna, si aumentava la sua durezza e resistenza alla corrosione per la

formazione superficiale di una lega ferro-carbonio, ovvero l’acciaio, dando così

avvio all’età del ferro, circa nel 1200 a.C.

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Importanza di altri materiali nella protochimica (terracotta, vetro, calce, pigmenti,

bevande fermentate, unguenti/profumi/cosmetici).

Risale alla fine del Neolitico la scoperta che dall’argilla (alluminosilicati idrati

appartenenti alla classe dei fillosilicati), bagnata con acqua, si otteneva una pasta

molle modellabile a piacimento che, per successiva perdita di umidità con

esposizione al sole o cottura, manteneva la forma scelta aumentando la sua durezza

al crescere della temperatura grazie al riarrangiamento della sua struttura

molecolare.

Nacque così la terracotta.

Con l’aggiunta di differenti minerali, si arrivò spesso ad un miglioramento della

qualità dell’argilla. In questo furono maestri i Cinesi che conferirono particolare

lucentezza e omogeneità superficiale alla terracotta mescolando all’argilla il

cosiddetto caolino (un materiale feldspatico – alluminosilicato di formula generale

XAlxSiyO8 con X = K, Na, Ba, Ca; x = 1, 2; y = 2, 3).

Un ulteriore miglioramento fu l’impermeabilizzazione della terracotta tramite

processo di vetrificazione.

Successivamente, si procedette all'abbellimento di manufatti in terracotta colorandoli

in blu (composti di Co), verde (composti di Cu), bruno (composti di Fe), giallo

(composti di Sb) e porpora (composti di Mn).

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E’ certo che l’uomo primitivo conoscesse due tipi di vetro naturale, l’ossidiana

(vulcanica) e la tectite (meteoritica).

Meno certo è quando l’uomo iniziò a produrlo. Secondo Plinio il Vecchio la scoperta

fu casuale e ad opera di mercanti Fenici, in seguito all’accensione di un fuoco sulla

spiaggia (la sabbia è costituita principalmente da silice).

Più verosimilmente, il primo vetro si ottenne come sottoprodotto delle procedure

metallurgiche, visto che i minerali da cui si estraevano i metalli contenevano spesso

silicati.

La presenza di soda (Na2CO3) si rivelò essenziale nella produzione del vetro

perché liberava CO2, in seguito al riscaldamento, trasformandosi così in Na2O, un

fondente che abbassava la temperatura di fusione della sabbia (1.700°C).

Un’ulteriore ottimizzazione del processo fu raggiunta intorno al 1.300 a.C. con

l’aggiunta di calce viva (CaO) alla sabbia, permettendo la formazione di un vetro

particolarmente resistente.

Anche in questo caso si procedette all’abbellimento del materiale vetroso ricorrendo

a colorazioni ottenute con l’aggiunta dei sali già menzionati, ma anche al blu egizio -

diverso dal precedente blu cobalto - e ad un particolare color rubino ottenuto dai

Babilonesi Mescolando polvere d’oro al vetro fuso.

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Le prime costruzioni dell’uomo utilizzavano blocchi di pietra sovrapposti senza alcun

cementante.

Il miglioramento della stabilità di queste costruzioni si deve alla scoperta della calce

viva (CaO) prodotta per riscaldamento del calcare (CaCO3).

Reagendo esotermicamente con l’acqua, la calce viva si trasforma in calce spenta

(Ca(OH)2) che, per successivo invecchiamento all’aria, diventa un materiale duro e

resistente.

A partire dal 300 a.C. venne quindi impiegata nell’edilizia come cementante. Per

aumentare ulteriormente la stabilità, gli Egizi aggiungevano steli di grano e canapa

alla miscela di calce spenta e sabbia.

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Notando la particolare aggressività sulla pelle della calce spenta, l’uomo iniziò ad

impiegarla anche per ripulire le pelli animali dai peli per poi sottoporle alle prime

rudimentali procedure di concia.

Tra queste si annoverano l’esposizione del pellame alla formaldeide (CH2O)

sprigionata dalla combustione di foglie e rami verdi, il trattamento disidratante

dell’allume (MAl(SO4)2·12H2O, con M = K, Na, Rb, Cs) o del tannino

(C76H52O46), contenuto nella corteccia di alcune piante, il tutto per rallentare il

decadimento naturale della pelle.

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Fin dal Paleolitico (età della pietra, ca. 2.5 mln - 8.000 a.C.) l’uomo ha utilizzato i

colori.

I primi erano a base di argille, colorate diversamente in base ai minerali contenuti:

rosso (cinabro, HgS), da rosso a giallo (ossidi di ferro), marrone scuro (MnO2).

La fuliggine nera (fuligio) o il carbone vegetale venivano spessoimpiegati per il

colore nero-bruno, mentre la macinazione di malachite, azzurrite (2CuCO3

·Cu(OH)2) e il lapislazzuli (3Na2O·3Al2O3·6SiO2·Na2S) servivano per il loro colore

verde-azzurro (a partire dal 30.000 a.C. circa).

Ben più tardiva è l’estrazione dei coloranti dai vegetali (come l’indaco) o dagli animali

(es. muresside e kermes).

In Asia, sin dalla preistoria, si usava la lacca prodotta con resine vegetali per

proteggere e decorare oggetti di vario tipo. Era di colorazione lattiginoso-trasparente

ma, mescolata a pigmenti, quali cinabro, ossido ferrico (Fe2O3) o orpimento

(As2S3), alla sua funzione protettiva aggiungeva quella decorativa grazie alle varie

colorazioni ottenute.

Gli Egizi, fin dal 4.000 a.C., furono particolarmente attivi nell’uso di pigmenti per

colorare i loro edifici e oggetti artistici.

Divennero talmente esperti, che trasmisero la loro tecnica anche ai Greci e ai

Romani.

Tra i coloranti più usati nell’antichità che seguivano procedure chimiche per essere

sintetizzati, ricordiamo:

- il blu egizio (CaO·CuO·4SiO2), presente fin dall’età del bronzo, viene da molti

considerato il primo pigmento di sintesi della storia. Si ottiene da una miscela di

quarzo, calcare e malachite in proporzioni definite e scaldata in un intervallo di

temperature 830-900°C. Il materiale opaco e fragile ottenuto veniva poi macinato

ricavandone il pigmento;

- il verdigris o verderame (Cu(CH3COO)2·2H2O), di colore verde, veniva ottenuto

da Egizi, Greci e Romani per esposizione di Cu metallico ai vapori di aceto;

- la biacca (2PbCO3·Pb(OH)2) era ottenuta inserendo striscioline di Pb in vasi di

terracotta, contenenti aceto caldo e letame in scompartimenti separati. I vapori di

aceto convertivano il Pb in Pb(CH3COO)2 (acetato di piombo), trasformato poi in

carbonato basico bianco dalla liberazione di CO2 per fermentazione del letame.

Riscaldando la biacca a 300°C, Greci e Romani ottenevano il massicot (PbO),

pigmento di colore giallo intenso che, se riscaldato a 400°C, diventa di colore

giallo-arancio per la formazione della miscela PbO e Pb3O4 (litargirio).

Alzando la temperatura di altri 80°C, il litargirio si trasforma in minio (Pb3O4) di

colore rosso scarlatto. Ciò accade anche calcinando direttamente la biacca.

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La fermentazione di frutta, succhi e latte è un processo naturale spontaneo, per cui è

verosimile che l’uomo disponesse di bevande fermentate sin dalla notte dei tempi.

Bisogna però aspettare il Neolitico ((10.000/8.000-2.200 a.C.) perché l’uomo

provocasse volutamente questo processo per produrre bevande fermentate, specie

nel Vicino Oriente ed Egitto.

E’ qui che ha origine la nascita di quelle tecniche di trasformazione alimentare

(fermentazione e lievitazione), sopravvissute fino ai giorni nostri. In particolare, la

nascita del vino e della birra per fermentazione alcolica del succo d’uva o cereali

nasce in questa era e rappresenta uno dei processi chimici più antichi.

L’Egitto, in particolare, produceva vino già a partire dal 2700 a.C. (III Dinastia),,

agevolata dalla rete commerciale con la Palestina dove cresceva la vite.

Tra i Sumeri era diffusa la produzione della birra d'orzo, perché il tipo di clima

troppo secco non favoriva la crescita delle viti in Mesopotamia.

La prima produzione di acquavite nella storia si deve appunto agli Egizi che per

primi distillarono una bevanda fermentata alcolica, il vino (più precisamente il mosto

d’uva).

Sebbene la distillazione fosse già nota in Cina nel 2.000 a.C., solo successivamente

(ca. 800 a.C.) applicata a bevande fermentate alcoliche (sake).

Bisogna tuttavia aspettare l’XI secolo d.C. per trovare una documentata conoscenza

di distillati alla corte imperiale di Bisanzio.​

E’ in questo secolo che nascono le pratiche sistematiche di distillazione, grazie

soprattutto agli Arabi. Non a caso la parola alambicco deriva proprio dall’arabo

al-’ambiq (distillare).

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Gli Egizi misero a punto un processo di mummificazione che richiedeva l’uso di

essenze e unguenti, dopo aver rimosso gli organi interni e aver disidratato il corpo

tramite natron (Na2CO3·10H2O).

Alcuni unguenti, a base di oli e grassi vegetali e animali con piante officinali,

avevano anche effetto battericida, oltreché detergente.

Diffondere profumi era una pratica necessaria per coprire l’odore sgradevole del

cadavere. Non è facile identificare le sostanze profumate usate, data la loro

deperibilità, ma alcuni documenti riportano l’uso di resine e legni profumati bruciati

nelle incensiere (incensum, in latino, significa ‘oggetto bruciato’).

Non si limitarono a questo uso, ma anche alla cura personale: venivano usati per

detergere la pelle, complice anche un clima secco che lo richiedeva.

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Il mondo dei profumi ha origini antichissime risalenti all’età del bronzo (3.000-1.100

a.C.) sia nel bacino del Mediterraneo dove si affacciavano Creta, Cipro e la Grecia

che, naturalmente, in Egitto e Medio Oriente.

Trattandosi di materiale deteriorabile, non vi è certezza sulla loro composizione.

Dagli utensili ritrovati, si pensa che le essenze dei fiori venissero estratte

principalmente con olio d’oliva e grassi animali e/o vegetali (enfleurage), tecnica che

permette di estrarre già a freddo le essenze dai fiori delicati.

Un’altra tecnica di estrazione delle essenze era la frantumazione e macerazione

dei fiori meno delicati e delle piante in ambiente oleoso (soprattutto olio di oliva),

ottenendo l’onfacio, o in succo di uva acerba (agresto).

Addirittura Erode il Grande (73-4 a.C.) possedeva una officina aromataria sulle

sponde del Mar Morto, dotata di mulini per la frantumazione di fiori e piante, vasche

per la macerazione e forni per riscaldare gli oli profumati.

Furono alcuni generali di Alessandro Magno, (356–323 a.C.) in seguito alla

conquista dell’impero persiano a riportare informazioni sulla fiorente produzione e

commercio di profumi da quelle terre.

Addirittura il grande filosofo greco Aristotele (ca. 384-322 a.C.) dedica una parte

della sua opera De Anima allo studio dei processi olfattivi.

Questo studio venne approfondito successivamente Teofrasto (372-287 a.C.) che

addirittura parlò di meccanismo olfattivo negli uomini e negli animali e di dettagli

sulle piante e fiori da utilizzare per la produzione di fragranze nel suo trattato De

Odoribus.

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La pratica di ‘truccarsi’ è antica quanto l’uomo. Inizialmente, cospargere viso e

corpo di sostanze cosmetiche fu probabilmente un modo per proteggersi dalle

punture di insetti, mimetizzarsi durante le battute di caccia o per rituali religiosi.

Può essere che il miglioramento estetico conseguente abbia, infine, fatto prevalere

questo aspetto sugli altri.

I cosmetici erano composti da alcuni dei pigmenti già visti precedentemente

(malachite, biacca, cinabro, orpimento,fuligno,ecc.)

Alcuni minerali a base di cloro-derivati di piombo erano così rari (laurionite,

PbCl(OH), e fosgenite, Pb2(CO3)Cl2), da far pensare ad una vera e propria

procedura chimica per la loro sintesi.

I pigmenti venivano applicati tal quali o mescolati con oli o grassi animali o vegetali.

Teoria degli elementi e atomismo

Risulta evidente come l’arte della chimica pratica aveva raggiunto un discreto

sviluppo, in particolare in Egitto, tanto che la parola khemeia (da cui deriva alchimia

e, poi, chimica) potrebbe rifarsi al nome con cui gli Egizi indicavano la propria terra

(Kham). Per cui khemeia potrebbe tradursi come ‘l’arte egizia’; oppure,

‘l’arte di estrarre i succhi’, dove per ‘succo’ (khumos in greco) si potrebbe intendere

anche il metallo fuso.

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I filosofi attorno al 600 non avevano problemi pratici: robe da schiavi. Si

concentrarono così sullo scoprire l’origine dell’universo.

E’ in questo contesto che nasce una teoria che influenzerà l’uomo per più di 2000

anni.

Ai filosofi presocratici (Intorno al 600 a.C.) si deve, in particolare, la ‘Dottrina dei

quattro Elementi’: terra, aria, acqua e fuoco.

Prima Talete ipotizzò l’esistenza di un’unità fondamentale (elemento), che si

manifestava in natura sotto tanti aspetti; che individuò nell’acqua, poiché l’acqua è in

tutte le cose e a essa tutte ritornano.

L’ipotesi di un elemento alla base della materia fu accolta favorevolmente, ma fu

contestata la scelta dell'acqua.

Anassimene propose l’aria, siccome l’aria, condensandosi o rarefacendosi, poteva

trasformarsi rispettivamente in acqua, terra o fuoco.

Eraclito lo individuò nel fuoco, sempre mutevole e sempre in movimento come le

varie trasformazioni della materia (panta rei).

Empedocle (seguace di Pitagora) propose la soluzione di ‘compromesso’. La materia

era fatta da quattro elementi: l’acqua di Talete, l’aria di Anassimene, il fuoco di

Eraclito e la terra proposta da lui.

Successivamente, uno dei più grandi filosofi greci, Aristotele (ca. 384-322 a.C.),

accettò la dottrina dei quattro elementi ma non credeva che gli elementi fossero

quelli indicati.

Egli considerava gli elementi come combinazioni di due coppie di caratteri opposti:

caldo-freddo e asciutto-bagnato (l’acqua era freddo-bagnato, l’aria era

caldo-bagnato, il fuoco era caldo-asciutto, la terra era freddo-asciutto).

Dall’osservazione della volta celeste, Aristotele aggiunse anche un quinto elemento

(quintessenza) : l’etere. L’ etere (che significa brillare) era l’elemento che

componeva il firmamento, quindi doveva rispecchiare le caratteristiche di luminosità

e perfezione dei corpi celesti: immutabile, incorruttibile, eterno, ovvero perfetto.

Alcuni filosofi, riprendendo il pensiero di Platone, credevano che i quattro elementi

fossero costituiti da componenti microscopici con forme diverse a spiegare le

loro differenti proprietà.

In particolare la terra era costituita da particelle cubiche microscopiche (il cubo

possiede le facce con la maggiore area superficiale). Lo stato liquido dell’acqua fu

spiegato con una tendenza verso la forma più fluida posseduta dall’icosaedro,

mentre il fuoco si diceva che fosse doloroso al tatto perché costituito da particelle

spigolose di forma tetraedrica. L’aria era ritenuta costituita da ottaedri perché era

l’unico solido platonico rimasto. Un po’di tempo dopo, un quinto solido platonico, il

dodecaedro, fu scoperto dai matematici e venne così attribuito all’ etere.

Secondo un’altra interpretazione:

-cubo - terra perché si muove solo con forte spinta

-acqua - icosaedro perché forma fluida

-fuoco - tetraedro perché