Metodi di indagine scientifica nei beni culturali

Parte di chimica

I lezione

Richiami di chimica

Un po' di lessico per "la materia"

• Sostanze (semplici e composte)
• Miscugli (omogenei ed eterogenei)
• Trasformazioni (fisiche e chimiche)

Le basi dell’indagine scientifica

Gli scienziati interrogano gli oggetti

• Gli "scienziati"
• Generalità su procedure e strumenti
• I risultati (numerici) dell’indagine
• Campionamento (se serve)

Il contributo dell’indagine chimica

Contributo allo studio dei materiali artistici e archeologici

Conflitto o sinergia?

• Vetri
• Ceramiche
• Metalli
• Materiali pittorici

Libro: "La chimica dell’arte" - Matteini Imoles

Livelli gerarchici della chimica

Livello macroscopico

È il livello percepibile dai sensi, relativo all'ambiente naturale, agli oggetti che l’uomo ha prodotto, all’uomo stesso. È il livello della materia, costituita da:

• Sostanze (semplici e composte)
• Miscugli (omogenei e eterogenei)

Materia

Attributi essenziali:

• Esiste in porzioni chiamate corpi
• Tutte le porzioni hanno massa, che si conserva con le trasformazioni
• Esiste in tre stati di aggregazione (solido, liquido, aeriforme)

Il termine materiale è utilizzato come sinonimo di materia in riferimento a solidi con proprietà o caratteristiche particolari, individuate sulla base dell’origine e dell’impiego.

Sostanza

Attributi essenziali:

• Ha una composizione definita e costante (esiste solo con una specifica composizione)
• È caratterizzata da specifici valori dei parametri fisici (es: densità, punto di fusione ed ebollizione, conducibilità elettrica specifica, conducibilità termica specifica, ecc...)

Le sostanze sono suddivise in:

• Sostanze composte (o composti): possono essere scisse in sostanze semplici (esempio: l’acqua)
• Sostanze semplici: non possono essere scisse per dare origine ad altre sostanze (esempio: l’ossigeno)

L’insieme di due o più sostanze costituisce un miscuglio (omogeneo o eterogeneo). Le sostanze pure sono le sostanze che non contengono altre sostanze; se sono presenti non sono sostanze pure, una sostanza pura può essere semplice, non può essere scissa quindi trasformata in sostanze semplici. Le sostanze composte hanno una composizione costante, definitiva (l’aria non è una sostanza ma un miscuglio di varie sostanze tra cui ossigeno, azoto, acqua e anidride carbonica, quest’ultime sono delle sostanze che costituiscono il miscuglio: aria).

II lezione

Miscuglio omogeneo

Attributi essenziali:

• Formato da più sostanze
• Le sostanze costituenti possono essere presenti in proporzioni variabili
• È possibile separare tra loro le sostanze che compongono il miscuglio
• Ogni porzione ha le stesse proprietà fisiche, che dipendono dal rapporto quantitativo tra le sostanze presenti

Le caratteristiche del miscuglio omogeneo sono le stesse di quello eterogeneo. È possibile separare le componenti di un miscuglio (es: acqua del mare, ebollizione, viene separata l’acqua dal sale).

Miscuglio eterogeneo

Attributi essenziali:

• Formato da più sostanze
• Le sostanze costituenti possono essere presenti in proporzioni variabili
• È possibile separare tra loro le sostanze che compongono il miscuglio
• Le proprietà sono disomogenee a livello macroscopico (sono visibili i diversi componenti)

Un esempio di miscuglio eterogeneo è il granito che è chiaramente composto da materiali diversi, così come il latte (acqua + globuli di grasso). È praticamente impossibile trovare in natura una sostanza pura, perché la purificazione delle sostanze è un processo molto complesso (l’acqua è composta da sodio, potassio, ossigeno, idrogeno ecc... non la puoi trovare pura cioè solo acqua, non in miscela con altre sostanze).

Alcuni miscugli hanno nomi specifici:

• Soluzione: miscuglio omogeneo tra solido (o liquido) e liquido (es. pentola con acqua + sale da cucina)
• Aerosol: miscuglio eterogeneo tra solido (o liquido) e gas (es. nuvole)
• Emulsione: miscuglio eterogeneo tra liquidi immiscibili (es. maionese o il latte)
• Sospensione: miscuglio eterogeneo tra solido e liquido (es. mix tra sabbia e acqua)
• Lega: miscuglio solido (omogeneo e eterogeneo) nel quale almeno una delle sostanze è un metallo

Primo livello microscopico

(Livello atomico/molecolare)

È il livello di molecole e degli atomi: particelle di dimensioni infinitesime la cui presenza è stata proposta (immaginata) per spiegare (giustificare, modellizzare) alcune proprietà e comportamenti della materia.

Ex. Come si spiega la trasformazione del ghiaccio in acqua?

La materia appare “continua” da un punto di vista macroscopico, ma la trasformazione del ghiaccio in acqua è spiegabile se immaginiamo che la materia possa invece essere microscopicamente discontinua e formata da sub-unità distinte, che chiamiamo molecole, a loro volta costituite dall’unione di più atomi. Abbiamo visto che alcune sostanze si possono scindere in sostanze più semplici, che hanno poi proprietà chimiche o fisiche completamente diverse.

Secondo livello microscopico

(Livello nucleo/elettronico)

Considera l’atomo costituito a sua volta da particelle. Il modello più semplice prevede un nucleo in cui sono presenti cariche positive (protoni) e particelle neutre (neutroni), circondato da elettroni (cariche negative) in numero uguale a quello dei protoni. Gli elettroni sono i componenti degli atomi di maggiore interesse per i chimici, in quanto sono protagonisti nelle trasformazioni e condizionano le proprietà delle sostanze.

Il numero atomico (N): è il numero di protoni nel nucleo.

Il numero di massa (A): è la somma del numero di protoni e neutroni nel nucleo.

Elemento chimico

È un insieme di nuclei aventi lo stesso numero di protoni (numero atomico - N), attributi essenziali:

• Simbolo
• Numero atomico
• Specifico collocazione nella tavola periodica

Es. Carbonio

• Numero atomico: 6
• Simbolo: C
• Quattordicesimo gruppo

Nella tavola periodica sono raccolti tutti gli elementi chimici, è fondamentale per tutta la chimica e la fisica della materia, sono raccolti gli elementi intesi come simbolo chimico, numero chimico e posizione nella tavola. L’espressione elemento chimico si riferisce ad una specie atomica avente uno specifico numero atomico mentre il termine atomo è utilizzato per definire quelle unità che abbiamo visto che sono costituite da un nucleo contenente protoni e neutroni attorno ai quali è presente una nuvola di elettroni, diventa elemento chimico nel momento in cui lo specifichiamo assegnandoli un simbolo chimico e un numero atomico. Tutti gli atomi di carbonio costituiscono l’elemento chimico carbonio.

Dal micro al macro

In termini più generali, gli atomi degli elementi chimici si legano per formare delle sub-unità più complesse che chiamiamo molecole, le quali sono le unità discrete ed invisibili che costituiscono le sostanze, questo è appunto il processo che ci porta da un livello microscopico ad un livello macroscopico. Se consideriamo ulteriormente questo passaggio dal micro al macro vediamo che sono gli elettroni i componenti degli atomi che sono di maggiore interesse per la chimica perché sono i protagonisti della formazione delle sostanze e condizionano le loro proprietà. In particolare è proprio attraverso la condivisione o la cessione di elettroni che si dà origine a legami chimici e promuovono quindi la formazione delle molecole, rappresentate con una formula chimica, quest’ultima rappresenta la molecola di una sostanza, cioè la sua unità microscopica, ma rappresenta anche la sostanza stessa.

Formule chimiche

Nelle formule chimiche vengono indicati i simboli degli elementi costituenti integrati da numeri a pedice, che indicano i rapporti quantitativi tra gli atomi presenti (il numero 1 viene omesso e quindi se non c’è nulla si sottintende 1). Nella definizione di sostanza avevamo indicato che era determinante il rapporto quantitativo tra i costituenti, quindi questi numeri a pedice sono proprio quelli che caratterizzano i rapporti quantitativi che devono essere mantenuti fissi per caratterizzare la sostanza. Le formule chimiche delle sostanze semplici riportano solo atomi dello stesso elemento: Fe, C, H₂, O₂ in particolare nella formula dell’idrogeno e dell’ossigeno sappiamo che viene indicato che ciascuna molecola è in realtà costituita da due atomi di idrogeno così come per l’ossigeno la molecola è costituita da due atomi di ossigeno. Al contrario le formule delle sostanze composte (o composti) riportano al loro interno atomi di elementi differenti: H₂O, NaCl (sale da cucina), CaCO₃ (carbonato di calcio) consideriamo quest’ultima formula chimica, riconosciamo il simbolo del calcio Ca, il simbolo del carbonio C e il simbolo dell’ossigeno O, il carbonato di calcio ci dice che i rapporti quantitativi tra il calcio, il carbonio e ossigeno sono rispettivamente 1, 1, 3 questi rapporti quantitativi sono indicati dai numeri a pedice, 1 dopo il calcio (viene omesso) 1 dopo il carbonio (omesso) e 3 dopo l’ossigeno. Nota importante: formule diverse indicano sostanze diverse, che possono avere proprietà anche molto differenti: H₂O (acqua), H₂O₂ (acqua ossigenata), H₂, O₂.

Trasformazioni chimiche (reazioni)

Le trasformazioni chimiche (reazioni) prevedono la formazione di nuove sostanze che chiamiamo prodotti a partire da sostanze di partenza che chiamiamo reattivi. Da un punto di vista formale le trasformazioni chimiche sono formate attraverso quelle che vengono chiamate equazioni chimiche, in cui le formule dei reattivi sono poste a sinistra e la freccia le collega a destra con quelle che sono le formule chimiche dei prodotti, quindi noi abbiamo delle sostanze identificate da delle formule chimiche che ci appaiono a sinistra della strafo razione e i prodotti indicati a destra della trasformazione, vengono sempre collegati da una freccia che indica proprio la trasformazione.

CaCO₃ (carbonato di calcio) + H₂SO₄ (acido fosforico) → CaSO₄ (solfato di calcio) + CO₂ + H₂O

SiO₂ (biossido di silicio) + 4HF (acido fluoridrico) → SiF₄ (tetrafluoruro di silicio) + 2H₂O

Consideriamo queste due reazioni, vediamo che sono presenti dei numeri che si distinguono in due tipologie, quelli che sono scritti al pedice e quindi all’interno delle formule chimiche e altri che si pongono prima delle formule chimiche, in particolare abbiamo due numeri di questa reazione che sono quello che sta davanti ad HF (acido fluoridrico) e il 2 che sta davanti all’acqua, c’è una sostanziale differenza tra i numeri a pedice e i numeri all’interno:

• I numeri a pedice sono quelli che indicano i rapporti atomici all’interno delle molecole, cioè i numeri a pedice assieme ai simboli degli elementi chimici sono parte integrante della formula chimica quindi contribuiscono ad identificare la sostanza.
• I numeri posti prima delle formule molecolari ci indicano dei rapporti quantitativi tra le sostanze che reagiscono e le sostanze che vengono formate, a questi numeri che vengono messi prima delle molecole vengono determinati sulla base del postulato fondamentale di Lavoisier “nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”. Se noi osserviamo con attenzione queste trasformazioni chimiche vediamo che c’è qualcosa che si distrugge e cioè le sostanze che erano presenti nei reagenti che non sono più presenti tra i reattivi, ma quello che invece non si distrugge ma viene trasformato sono gli atomi, infatti se contiamo il numero dei singoli atomi che è presente a dx e a sx della freccia è uguale, quindi abbiamo una trasformazione delle molecole e un’invarianza degli atomi. Una trasformazione chimica si può riconoscere attraverso il formalismo dell’equazione chimica, abbiamo visto che le sostanze a sx della freccia sono diverse rispetto alle sostanze a dx.

Da un punto di vista sperimentale, la trasformazione chimica la riconosciamo perché si forma qualche cosa che può essere palesemente diverso ad esempio la trasformazione:

Pb(NO₃)₂ (nitrato di piombo) + 2KI (ioduro di potassio) → PbI₂ (ioduro di piombo) + 2KNO₃ (nitrato di potassio)

Una goccia di soluzione di nitrato di piombo cade in una soluzione di ioduro di potassio. Si forma ioduro di piombo, solido giallo. In questo caso siccome l’introduzione di due sostanze che sono presenti in soluzione ci portano allo sviluppo di una sostanza che è chiaramente differente siamo immediatamente in grado di riconoscere la trasformazione, in altri casi la trasformazione non è così evidente poiché potrebbe formarsi una sostanza incolore e solubile e non noteremmo nessuna trasformazione.

Trasformazioni fisiche

Anche per le trasformazioni fisiche si ha un formalismo che si basa sull’utilizzo delle formule chimiche ma a differenza delle trasformazioni chimiche in cui cambiando le sostanze cambiano anche le formule chimiche tra reagenti e prodotti, in questo caso prima e dopo la trasformazione le formule chimiche non cambiano perché non cambia la sostanza ma per esempio: H₂O (solido) → H₂O (liquido) è un passaggio di stato dallo stato solido allo stato liquido, la sostanza non ha cambiato la sua natura e quindi non è avvenuta una trasformazione chimica ma solo un passaggio di stato (trasformazione fisica). La separazione delle sostanze costituenti un miscuglio è una trasformazione fisica ad esempio la scrematura del latte che viene fatta per centrifugazione del latte intero per separare la componente grassa dalla parte acquosa, si tratta di una trasformazione fisica. Per quanto riguarda le trasformazioni chimiche associate ai cambiamenti di stato della materia ripassiamo i termini adatti per i cambiamenti di stato:

Le basi dell’indagine scientifica

Scienza e arte: le tecnologie scientifiche al servizio dei beni culturali

(video)

La parte scientifica in una disciplina umanistica come quelli che sono i beni culturali, sta assumendo ogni giorno che passa più importanza proprio per i progressi che questa parte scientifica fa, probabilmente non ci sarà mai un’analisi scientifica in grado di sostituire “l’occhio del critico” quindi l’esperienza, la vista diretta, un giudizio su un oggetto ma certamente serve immensamente a questo occhio del critico, poiché l’indagine scientifica riconosce quello che l’occhio umano non vede. A volte si ha paura che la scienza possa far perdere la magia dell’opera d’arte, tuttavia la magia rimane è lo storico dell’arte che dà l’interpretazione ma su basi nuove e quindi non bisogna privarsi di questo museo immaginario che ci può offrire la scienza.

Interazioni

Esperto umanistico

(storico dell’arte, archeologo):

Osserva le proprietà fisiche accessibili del manufatto (quali colore, tessitura, peso, dimensioni ecc...) e rileva gli attributi stilistici (forma, decorazioni, ecc...) e le interpreta sulla base di un quadro produttivo noto.

Esperto scientifico

(scienziato dei beni culturali):

Riconosce, utilizzando le tecniche proprie delle varie discipline scientifiche, i materiali che costituiscono il manufatto, evidenzia nel manufatto le caratteristiche legate ai materiali stessi o alle tecniche di produzione.

Archeometria

L’archeologia è la disciplina che da più tempo e più intensamente interagisce con le scienze “dure” per perseguire l’obiettivo di studiare il passato attraverso i reperti archeologici. Secondo la classificazione, l’archeometria (il termine identifica le svariate applicazioni delle scienze naturali nell’ambito degli studi archeologici in generale) si articola in:

• Datazioni (metodi chimici e metodi fisici)
• Studi per la ricostruzione dell’ambiente, del clima, della flora e della fauna del passato
• Studi per ricostruire la nutrizione, la dieta e la salute delle popolazioni
• Metodi matematici per la gestione di grandi quantità di dati
• Prospezioni in remoto per la localizzazione dei resti archeologici
• Metodi chimico-fisici per la caratterizzazione dei reperti
• Procedure e metodi per la conservazione dei materiali archeologici

Classificazione delle procedure di indagine

In base all’effetto della procedura sul manufatto e sul campione:

Procedura non invasiva

L’analisi non prevede alcuna rimozione di materia dal reperto, in questo caso ci aspettiamo che l’oggetto in questione (es. un vaso) prima e dopo sia esattamente identico senza alcun tipo di modificazione.

Procedura invasiva

Per l’analisi si preleva una porzione del reperto, nella procedura invasiva è quindi prevista la rimozione di materiale dall’oggetto che viene sottoposto all’analisi.

Procedura micro-invasiva

Si preleva dal reperto una porzione molto piccola, in questo caso se si ritiene che la porzione di materiale che viene prelevato dall’oggetto possa non essere significativamente impattante per l’oggetto stesso, si può propriamente parlare di procedura micro-invasiva.

Tecnica non-distruttiva

Il campione sottoposto all’analisi non viene modificato, quindi il termine non-distruttivo può essere per esempio relativo ad una procedura invasiva che ha prelevato una parte del materiale dall’oggetto di partenza per sottoporlo all’analisi, il termine non distruttivo indica il fatto che la porzione del materiale che viene sottoposta all’analisi viene modificata.

Tecnica distruttiva

Il campione viene distrutto nel corso dell’analisi. Bisogna ricordare che i termini “non invasivo” e “non distruttivo” non sono sinonimi perché si può impiegare per l’analisi una tecnica non distruttiva che tuttavia prevede di operare su campioni prelevati dal manufatto.