Elements and Atoms: Case Studies in the Development of Chemistry (2002) | A
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1 La natura degli elementi e la materia del fuoco
Dibattiti storici sulla costituzione della materia e i principi della combustione.
Il testo presenta una discussione sulla natura degli elementi o principi costitutivi dei corpi. Viene contestata l’idea di un numero fisso e determinato di elementi puri, poiché le sostanze ottenute dalla risoluzione dei corpi composti spesso appaiono ancora mescolate e variano da un concreto all’altro: “they yet retain so much of the nature of the Concrete that afforded them, as to appear to be yet somewhat compounded” - (fr:390). Si definiscono gli Elementi come “certain Primitive and Simple, or perfectly unmingled bodies; which not being made of any other bodies, or of one another” - (fr:374). Tuttavia, si ammette che le sostanze considerate semplici potrebbero essere composte da più principi, ma agiscono come semplici finché non si scopre il mezzo di separarli: “they act with regard to us as simple substances” - (fr:613). La trattazione si fonda su teorie antiche, in particolare aristoteliche, che identificano i corpi semplici in quattro elementi (Fuoco, Aria, Acqua, Terra), ciascuno caratterizzato da una combinazione di qualità tangibili fondamentali: caldo, freddo, secco, umido. “Earth by dry rather than by cold, Water by cold rather than by moist, Air by moist rather than by hot, and Fire by hot rather than by dry” - (fr:184). Le reciproche trasformazioni tra elementi consecutivi avvengono mediante il passaggio di una singola qualità nel suo contrario: “in Fire, the passing-away of the dry into the moist would result in Air” - (fr:322). La materia prima è considerata il sostrato inseparabile di queste qualità contrarie: “the matter which underlies, though it is inseparable from, the contrary qualities” - (fr:122). Un tema secondario rilevante è la teoria della combustione e la natura del fuoco. Viene criticata la visione stahliana del fuoco come materia fissa nei corpi combustibili, ritenuta un ragionamento circolare: “combustible bodies contain the matter of fire because they burn and that they burn because they contain the matter of fire” - (fr:1205). Si propone invece l’idea del fuoco o della luce come un fluido sottile ed elastico che circonda e penetra i corpi: “a very subtle, very elastic fluid which surrounds all parts of the planet which we inhabit” - (fr:1209). Questo fluido, combinandosi con altre sostanze come un dissolvente, ne modifica le proprietà: “the bodies thus combined and dissolved by the igneous fluid lose in part the properties which they had before the combination” - (fr:1210). In questa prospettiva, l’aria pura (aria de-flogisticata) diviene il vero corpo combustibile, rendendo superflua l’ipotesi di una grande quantità di fuoco fisso in sostanze come metalli o zolfo: “there is no longer need […] of supposing that there exists an immense quantity of fixed fire in all bodies which we call combustible” - (fr:1229).
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2 La storia della chimica: elementi, atomi e leggi periodiche
Un percorso bibliografico attraverso le scoperte fondamentali, dalle teorie atomiche alla radioattività.
Le frasi costituiscono un elenco di riferimenti bibliografici per uno studio sulla storia della chimica. I lavori citati riguardano la teoria atomica, con contributi di John Dalton, Stanislao Cannizzaro e Amedeo Avogadro. Un tema centrale è lo sviluppo della legge periodica degli elementi, documentato attraverso le pubblicazioni di Dmitrii Mendeleev, Julius Lothar Meyer, John Newlands e altri precursori come Johann Döbereiner. Le citazioni seguono la scoperta di nuovi elementi predetti dalla tavola periodica, come il gallio, il germanio e le terre rare. Un’altra area trattata è la scoperta dei gas nobili, in particolare l’argo e l’elio, e le sfide poste alla classificazione periodica. La radioattività è ampiamente coperta, con riferimenti agli studi di Antoine Henri Becquerel, Marie e Pierre Curie, ed Ernest Rutherford, inclusi lavori sulla natura delle particelle alfa e sulla struttura atomica. Sono presenti anche riferimenti a teorie superate, come il flogisto, e a dibattiti storici come l’ipotesi di Prout. L’elenco include testi storiografici e metodologici sull’insegnamento della scienza attraverso la sua storia.
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3 Il Metodo Scientifico nella Chimica e nelle Scienze Fisiche
Dalla sperimentazione alla teoria: un percorso di conoscenza.
Il metodo scientifico nelle scienze fisiche e chimiche si basa sulla sperimentazione come fonte primaria di conoscenza e sulla corretta comunicazione dei risultati. La verità di una proposizione è messa in dubbio finché non è dimostrata da prove competenti: “in matters of Philosophy, this seems to me a sufficient reason to doubt of a known and important proposition, that the Truth of it is not yet by any competent proof made to appear” - (fr:377). Il progresso avviene applicandosi con più attenzione all’osservazione e comunicando al linguaggio la stessa precisione usata nelle osservazioni stesse: “In correcting their language they reason better” - (fr:679). La via più sicura è imparare da esperimenti specifici di cosa consistano le parti differenziate dei corpi e come possano essere separate, senza fare troppo affidamento sul solo fuoco e senza forzare i corpi in un numero di elementi maggiore di quello con cui la natura li ha composti. Si deve procedere da ciò che è conosciuto a ciò che è sconosciuto, senza trarre conclusioni che non siano una conseguenza immediata e necessaria di osservazione e sperimento: “never to advance but from what is known to what is unknown; never to form any conclusion which is not an immediate consequence necessarily flowing from observation and experiment” - (fr:588). Un trattato elementare deve avere come unico scopo la facilità e la perspicuità, rimuovendo ogni ostacolo che possa ritardare l’apprendimento. La nomenclatura è inseparabile dalla scienza stessa, poiché ogni ramo della scienza fisica consiste nella serie di fatti, nelle idee che li rappresentano e nelle parole che esprimono tali idee. I sistemi nella scienza fisica sono strumenti appropriati per aiutare la debolezza dei nostri organi: “they are, properly speaking, approximate methods which put us on the path to the solution of the problem” - (fr:1188). Sotto il controllo onnipendente dell’esperimento, una nuova teoria, anche se rozza, si rafforza rapidamente se fondata su una base sufficiente: “the asperities are removed, it is amended by degrees” - (fr:3464). L’impulso ad adattare una serie di dati a una formula empirica fa parte dell’impulso a comprendere i dati, nella speranza che una relazione matematica suggerisca una relazione fisica. La conoscenza relativa agli elementi, alle loro masse e ai cambiamenti periodici delle loro proprietà, sorta dal terreno vergine di fatti di recente accertati, ha dato motivo alla formazione di ipotesi utopiche, probabilmente perché non potevano essere previste con l’aiuto di nessuno dei vari sistemi metafisici. La chimica presenta ancora molte lacune che interrompono la serie di fatti e spesso rendono estremamente difficile conciliarli tra loro; non ha il vantaggio di essere una scienza completa, le cui parti siano tutte strettamente connesse. La legge rigorosa di non formare conclusioni non pienamente garantite dall’esperimento, e di non sopperire all’assenza di fatti, ha impedito di comprendere in questo lavoro il ramo della chimica che tratta delle affinità, sebbene sia forse la parte meglio calcolata per essere ridotta a un corpo completamente sistematico. La scienza delle affinità occupa lo stesso posto rispetto agli altri rami della chimica che la geometria trascendentale ha rispetto alla parte più semplice ed elementare. Si deve gettare uno sguardo indietro sul percorso già tracciato, considerando le nuove concezioni che mirano a scoprire il significato generale del patrimonio di fatti accumulato giorno per giorno nei laboratori.
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4 La radioattività dei minerali di uranio e torio e la rivoluzione chimica del XVIII secolo
Dalle terre rare ai metalli: la scoperta della radioattività e il superamento della teoria del flogisto.
La radioattività è una proprietà riscontrata in composti di uranio e torio, i quali sono generalmente più attivi quanto più uranio contengono. Minerali come la pechblenda (un ossido di uranio) e la calcolite (fosfato rameico di uranile) sono molto più attivi dell’uranio metallico stesso. “Two minerals of uranium, pitchblende (a uranium oxide) and chalcolite (uranyl copper phosphate) are much more active than uranium itself” - (fr:5376). L’attività è stata misurata in una varietà di composti e minerali, come mostrato in una tabella che include ossidi, uranati, nitrato di uranile e solfati, con valori che vanno da 0,3 a 83 unità. Anche minerali contenenti torio, come la torite, l’orangite e la monazite, mostrano attività, così come miscele complesse di elementi rari come niobio, tantalio, ittrio e cerio. “Among these minerals are cleveite, monazite, fergusonite, and a host of similar complex mixtures, all containing rare elements, such as niobium, tantalum, yttrium, cerium, &c.” - (fr:4591). L’uranio e il torio sono chimicamente simili ai metalli delle terre rare, quindi la loro presenza in minerali come la monazite, un fosfato di terre rare che può contenere torio al posto del metallo raro, non è sorprendente. “Monazite is a rare earth phosphate mineral which can have considerable substitution of thorium for the rare earth metal and of silicon for the phosphorus” - (fr:5445).
La comprensione moderna di questi elementi e dei loro composti si basa sul superamento della teoria del flogisto nel XVIII secolo. Secondo tale teoria, i metalli erano considerati composti della loro “terra” (calce) e del flogisto. “Until the phlogiston theory was discarded, metals were commonly regarded as compounds of their minerals (‘earths’) and phlogiston” - (fr:842). La calcinazione di un metallo all’aria aperta era vista come la fuoriuscita del flogisto, che riconvertiva il metallo in una terra. “The production of an earth from a metal can be brought about by the process of calcination, heating the metal in open air; the phlogiston was believed to flow from the metal into the air, converting the metal back into an earth or calx” - (fr:1021). Al contrario, la fusione di una terra in presenza di carbone faceva fluire il flogisto dal carbone alla terra, producendo un metallo. “In the process of smelting, an earth is heated in the presence of charcoal; phlogiston was believed to flow from the charcoal to the earth, producing a metal” - (fr:1020).
Gli esperimenti di Lavoisier sulla calce di mercurio (ossido di mercurio, HgO) dimostrarono che il riscaldamento produceva mercurio metallico e che il peso del mercurio era inferiore a quello della calce originale. “In his experiments on the calx of mercury (mercuric oxide, HgO), Lavoisier weighed the calx before heating it and carefully recovered the mercury produced by heating the calx” - (fr:1267). Questo portò a una diversa interpretazione: la calce è una combinazione del metallo con qualcos’altro (l’ossigeno), non il metallo una combinazione della calce con il flogisto. “Immediately, this picture is different from that of the phlogiston theory: the calx is a combination of the metal and something else (oxygen), rather than the metal being a combination of the calx and something else (phlogiston)” - (fr:1270). La sostanza che si combinava con i metalli durante la calcinazione aumentandone il peso fu chiamata ossigeno. “Here we see where Lavoisier got the idea that oxygen was an essential part of acids and why he named ‘pure air’ oxygen, for the substance that increases the weight of the original combustible substance is oxygen” - (fr:1271).
La “pura aria” o aria deflogisticata di Priestley fu identificata come il vero corpo combustibile. In tutte le combustioni, questa aria pura viene distrutta e il corpo che brucia aumenta di peso in proporzione alla quantità d’aria distrutta. “In all combustion, pure air in which the combustion takes place is destroyed or decomposed and the burning body increases in weight exactly in proportion to the quantity of air destroyed or decomposed” - (fr:1197). Lavoisier dimostrò anche che l’acqua non è un elemento semplice ma può essere scomposta. Esperimenti sulla combustione di grandi quantità di aria infiammabile (ottenuta dalla dissoluzione del ferro nell’acido vitriolico) non producevano acido fisso, e si scoprì che l’acqua poteva essere scomposta in aria deflogisticata (che si unisce al ferro formando una calce) e aria infiammabile. “Thus water, in this experiment, is decomposed into two distinct substances, dephlogisticated air which unites with the iron and converts it to a calx, and inflammable air which remains separate” - (fr:1370).
Questa rivoluzione concettuale portò a una nuova nomenclatura chimica sistematica, basata sulla composizione. Per gli acidi, ad esempio, si considerano il principio acidificante comune a tutti e il principio acidificabile peculiare. “The acids, for example, are compounded of two substances, of the order of those which we consider as simple; the one constitutes acidity, and is common to all acids… the other is peculiar to each acid” - (fr:627). Per i sali neutri, si considerano il principio acidificante, il principio acidificabile e la base salina, terrosa o metallica che determina la specie. “In the bodies which form this class, such as the neutral salts, for instance, we had to consider, 1st, The acidifying principle… 2d, The acidifiable principle… 3d, The saline, earthy, or metallic basis, which determines the particular species of salt” - (fr:639). Il nome di ogni classe di sali derivava dal principio acidificabile comune, mentre il nome della specie dalla base peculiare. “Here we derived the name of each class of salts from the name of the acidifiable principle common to all the individuals of that class; and distinguished each species by the name of the saline, earthy, or metallic basis, which is peculiar to it” - (fr:640). Questo sistema permette di ricavare dalla nomenclatura la natura della sostanza combustibile, le proporzioni di combinazione e lo stato di saturazione. “In short, we have advanced so far, that from the name alone may be instantly found what the combustible substance is which enters into any combination… whether the saturation be exact, or whether the acid or the basis be in excess” - (fr:643).
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5 Ipotesi di Avogadro e relazioni tra volumi gassosi, masse molecolari e calori specifici
Dalla legge dei volumi combinanti alle determinazioni dei pesi atomici, attraverso l’ipotesi di ugual numero di molecole in ugual volume.
L’ipotesi fondamentale è che volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengano un ugual numero di molecole. “equal volumes of gas contain equal numbers of molecules” - (fr:2274). Da ciò segue che il rapporto tra le densità di due gas è uguale al rapporto tra le loro masse molecolari. “the ratio of the densities of those gases is equal to the ratio of their molecular weights” - (fr:4471). Questa ipotesi spiega la legge dei volumi di combinazione di Gay-Lussac, secondo cui i gas si combinano in rapporti volumetrici semplici. “The fact that gases combine in simple ratios by volume is consistent with Dalton’s atomic theory if the number of atoms or molecules in a given volume of different gases was equal or was itself a simple ratio.” - (fr:2025). L’ipotesi fu inizialmente respinta da Dalton, il quale aveva avuto un’idea confusa ma la scartò. “At the time I formed the theory of mixed gases, I had a confused idea… that a given volume of oxygenous gas contains just as many particles as the same volume of hydrogenous; …” - (fr:2232).
Un corollario essenziale è che le molecole degli elementi gassosi possono essere composte da più atomi elementari uniti. In particolare, l’idrogeno e altri elementi esistono come molecole biatomiche. “many gaseous elements exist as diatomic molecules” - (fr:2274). Si suppone che le molecole costituenti di un gas semplice “siano costituite da un certo numero di queste molecole elementari unite per attrazione a formarne una sola”. “the constituent molecules of any simple gas whatever… are made up of a certain number of these molecules united by attraction to form a single one” - (fr:2176). Quando si formano molecole composte, la molecola integrale risultante può scindersi in due o più parti, raddoppiando o quadruplicando il numero di molecole gassose finali. “the integral molecule which should result splits itself into two or more parts… so that the number of integral molecules of the compound becomes double, quadruple, &c.” - (fr:2176).
L’ipotesi fornisce un metodo per determinare le masse relative delle molecole delle sostanze ottenibili allo stato gassoso: i rapporti tra le masse delle molecole sono gli stessi dei rapporti tra le densità dei gas. “the ratios of the masses of the molecules are then the same as those of the densities of the different gases at equal temperature and pressure” - (fr:2164). Ad esempio, il rapporto tra la densità dell’ossigeno e quella dell’idrogeno fornisce il rapporto tra le masse delle loro molecole. “the ratio of the two numbers consequently represents the ratio between the masses of equal volumes of these two gases, it will also represent on our hypothesis the ratio of the masses of their molecules.” - (fr:2165). Il sistema di Avogadro assume la molecola di idrogeno (H₂) come unità, mentre il sistema moderno assume l’atomo di idrogeno. “Avogadro in essence chooses H₂ (the hydrogen molecule) as unity, while the modern system’s basis is tantamount to taking the hydrogen atom as unity.” - (fr:2303).
Un tema secondario riguarda i calori specifici dei gas. Il rapporto tra il calore specifico a pressione costante e quello a volume costante (γ) è un dato significativo. “the velocity of sound in a gas depends upon the ratio of two specific heats–the specific heat of a gas measured at constant pressure, and the specific heat measured at constant volume.” - (fr:4153). Questo rapporto ha un limite teorico di 5/3 (1.67) per i gas monoatomici. “The ratio of heat capacities can be no greater than 67 (5/3 actually), and that theoretical limit can be reached only by monatomic gases” - (fr:4478). Per gas poliatomici il rapporto è minore, poiché parte dell’energia va in moti di vibrazione e rotazione che non contribuiscono all’espansione. “the constant-pressure heat capacity of a monatomic gas will be considerably larger than the constant-volume value because all of its energy goes into motion which would expand the gas when expansion is possible.” - (fr:4486).
L’ipotesi si contrappone a quella di Dalton, secondo cui la quantità di calore è la stessa per le molecole di tutti i gas e la diversa attrazione per il calore varia solo la distanza tra le molecole. “Dalton, it is true, has proposed a hypothesis directly opposed to this, namely that the quantity of caloric is always the same for the molecules of all bodies whatsoever in the gaseous state” - (fr:2162). Tuttavia, l’ipotesi di Avogadro è preferita perché spiega la semplicità delle relazioni volumetriche. “the hypothesis we have just proposed is based on that simplicity of relation between the volumes of gases on combination, which would appear to be otherwise inexplicable.” - (fr:2163).
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6 Composizione dei gas e rapporti di combinazione
Rapporti volumetrici, pesi atomici e reazioni dei composti gassosi.
Le frasi trattano la composizione dei gas e i loro rapporti di combinazione, sia in volume che in peso. Vengono presentate tabelle numeriche e proporzioni per composti dell’azoto con l’ossigeno (ossido nitroso, gas nitroso, acido nitrico) e per altri gas come l’ammoniaca e l’acido muriatico ossigenato. “We may then admit the following numbers for the proportions by volume of the compounds of nitrogen with oxygen” - (fr:1833). Il principio espresso è che i gas si combinano in proporzioni semplici: “gases always combine in the simplest proportions when they act on one another; and we have seen in reality in all the preceding examples that the ratio of combination is 1 to 1, 1 to 2, or 1 to 3” - (fr:1833). Vengono discussi i concetti di atomi e molecole, con riferimenti ai pesi atomici. “That nitrous gas is a binary compound of azote and oxygen, the atoms of which weigh 5 and 7 respectively” - (fr:1598). Le analisi di diversi scienziati (Davy, Gay-Lussac, Thomson, Berthollet) vengono confrontate per stabilire le proporzioni esatte. “Davy[28], from the analysis of various compounds of nitrogen with oxygen, has found the following proportions by weight” - (fr:1830). Si esaminano le densità dei gas e le contrazioni volumetriche durante le reazioni. “Ammonia gas is composed of three parts by volume of hydrogen and one of nitrogen, and its density compared to air is 596” - (fr:1866). Viene menzionata la neutralizzazione tra acidi e alcali gassosi in volumi uguali. “from this we may suspect that if all acids and all alkalis could be obtained in the gaseous state, neutrality would result from the combination of equal volumes of acid and alkali” - (fr:1820). Sono descritte reazioni specifiche, come quella tra ammoniaca e acido muriatico per formare cloruro d’ammonio. “The reaction between these gases produces a solid salt, ‘muriate of ammonia’” - (fr:1961). Viene anche discussa l’inerzia dell’argon. “Argon failed to react with hydrogen, chlorine, phosphorous vapor, sulfur vapor…” - (fr:4431). Un tema secondario è la possibile struttura delle molecole e la divisione delle stesse, come per il vapore acqueo. “As for the molecule of water, its mass ought to be roughly expressed by 15+2=17… but on account of this division it is reduced to half” - (fr:2197).
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7 La legge periodica degli elementi e la scoperta delle relazioni tra i pesi atomici
Dalla classificazione per “ottave” alla sistematica periodica: un percorso di scoperte e conferme.
Le frasi documentano lo sviluppo storico della classificazione periodica degli elementi basata sui loro pesi atomici equivalenti. Le prime osservazioni notano che, disponendo gli elementi in ordine di peso atomico, si riscontrano relazioni numeriche tra elementi con proprietà simili. In particolare, “l’ottavo elemento a partire da uno dato è una specie di ripetizione del primo, come l’ottava nota di un’ottava in musica” - (fr:3110). Questa regolarità, inizialmente chiamata “legge delle ottave” da John A. R. Newlands, mostra che la differenza tra il numero del membro più basso di un gruppo e quello immediatamente superiore è spesso 7 o un multiplo di 8: “la differenza tra il numero del membro più basso di un gruppo e quello immediatamente sopra è 7” - (fr:3110). Vengono forniti esempi di tali relazioni in triadi o gruppi, come “Magnesio 12 Calcio 20 8” - (fr:3043). Lo studio si estende all’analisi delle differenze tra i pesi atomici di elementi affini, rilevando che tali differenze sono spesso multiple di otto o sedici, prendendo talvolta l’equivalente dell’ossigeno come unità di riferimento: “generalmente parlando, l’equivalente dell’ossigeno è l’unità di queste differenze” - (fr:3065). Vengono discusse le posizioni di elementi specifici e gruppi, come i metalli alcalini, i metalli alcalino-terrosi e i metalli del gruppo del platino, notando analogie e lacune. Ad esempio, si osserva che “l’elemento piombo occupa una posizione in relazione ai metalli delle terre alcaline simile a quella riempita dal tallio nel gruppo dei metalli alcalini” - (fr:3096). Si ipotizza l’esistenza di elementi mancanti, come un membro pesante nel gruppo del cloro, e si considerano i metalli come manganese, ferro, cobalto, nichel e rame come possibili centri di triadi i cui estremi sono sconosciuti. Il lavoro successivo, in particolare di Mendeléeff e Lothar Meyer, consolida queste osservazioni in una legge periodica, dove “gli elementi raggruppati lungo ciascuna delle linee verticali formano una classe naturale” - (fr:4575). La validità della legge è confermata dalla scoperta di nuovi elementi, come gallio, scandio e germanio, le cui proprietà corrispondono alle previsioni: “la brillante scoperta del gallio, che risultò corrispondere all’eka-alluminio della legge periodica” - (fr:3631), e da nuove determinazioni di pesi atomici, come quelli di platino, osmio e oro, che si allineano con le relazioni attese. La discussione include anche temi secondari come l’omologia degli spettri degli elementi analoghi, la valenza e le correzioni alle classificazioni iniziali, sottolineando il processo evolutivo e le revisioni che hanno portato alla formulazione del sistema periodico moderno.
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8 La scoperta dell’ossigeno e dell’argon: esperimenti e metodi di separazione
Analisi sperimentale dell’aria e isolamento dei suoi componenti gassosi.
Le frasi descrivono esperimenti storici per isolare e caratterizzare componenti dell’aria atmosferica. Joseph Priestley condusse esperimenti riscaldando mercurius calcinatus (ossido di mercurio) e red precipitate (ossido di mercurio rosso), ottenendo un’aria in cui una candela bruciava con una fiamma insolitamente vigorosa “with a remarkably vigorous flame” - (fr:920). Osservò che un topo poteva vivere in quest’aria più a lungo che nell’aria comune “it lived three quarters of an hour” - (fr:975). Per testare la bontà di quest’aria, usò ripetutamente la “prova dell’aria nitrosa” (ossido di azoto), notando che la nuova aria si riduceva di volume molto più dell’aria comune quando mescolata con essa “it was diminished quite as much as common air” - (fr:946), concludendo che era “tra quattro e cinque volte migliore dell’aria comune” “between four and five times as good as common air” - (fr:983). Sospettò che la proprietà derivasse dall’acido nitroso nell’atmosfera “depended upon something being communicated to it by the nitrous acid” - (fr:922). Lord Rayleigh e William Ramsay investigarono una discrepanza nel peso dell’azoto atmosferico rispetto a quello chimicamente derivato “differed in weight” - (fr:3982), ipotizzando la presenza nell’atmosfera di un costituente più pesante dell’azoto puro “some constituent heavier than true nitrogen” - (fr:3995). Per isolare questo gas (argon), dovettero rimuovere grandi quantità di azoto “for every litre of argon that you wish to get you must eat up some hundred litres of nitrogen” - (fr:4032). Usarono metodi come la combinazione con magnesio “the magnesium method” - (fr:4094) o ossigeno con scintille elettriche “absorbed in this manner, and converted into nitrous acid” - (fr:4010), e la diffusione attraverso un tappo poroso per separare i gas in base al peso “the heavier residue is easily altered in density by re-diffusion” - (fr:4670). La purezza e l’identità dei gas furono confermate misurandone la densità “the density 275” - (fr:4672) e analizzandone lo spettro “the well known blue lines of argon became visible” - (fr:4672).
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9 Scoperte sperimentali sui raggi catodici, sulla radioattività e sulle particelle α
Una serie di esperimenti fondamentali tra fine Ottocento e inizio Novecento.
I raggi catodici viaggiano in linea retta dalla catodo, come dimostra l’ombra di una croce di mica proiettata sulla fosforescenza del tubo (fr:4956, fr:4958). La loro velocità, misurata bilanciando forze elettriche e magnetiche, è molto elevata, fino a 000 miglia al secondo nei tubi più evacuati (fr:4976, fr:4979, fr:4981). Un campo elettrico può deviarli, facendoli cadere di una distanza d lungo un percorso l (fr:5159), e il bilanciamento dei campi fornisce un mezzo visivo per misurarne le proprietà grazie alla fosforescenza del vetro (fr:5151). Questi raggi possono essere raccolti su un collettore metallico usando la deflessione magnetica (fr:5118). Il passaggio dei raggi catodici attraverso un gas lo rende conduttore di elettricità, schermandoli dagli effetti della forza elettrica (fr:4970). Il loro potere penetrante attraverso lamine metalliche sottili è stato studiato da Philipp Lenard (fr:5141). I raggi X sembravano inizialmente associati alla fosforescenza indotta dai raggi catodici sul vetro (fr:5283).
Sostanze fosforescenti come il solfuro di zinco poste nel percorso dei raggi di un tubo di Crookes ne aumentano l’intensità (fr:5235). Henri Becquerel scoprì che i sali di uranio emettono raggi invisibili che impressionano lastre fotografiche anche al buio e attraverso fogli di carta nera, vetro, alluminio e rame (fr:5238, fr:5248, fr:5249, fr:5258, fr:5251). Esperimenti sistematici dimostrarono che questi raggi producono immagini nere dei cristalli e bianche di oggetti come monete o schermi interposti (fr:5299, fr:5326). L’azione chimica per vapori è esclusa interponendo un vetro (fr:5242). Si ipotizzò che fossero raggi invisibili emessi dalla fosforescenza e molto più persistenti della luce (fr:5266). Ernest Rutherford studiò la radiazione dell’uranio e la conduzione elettrica da essa prodotta, e identificò una sostanza radioattiva emessa dai composti di torio (fr:5686).
Le particelle α possono essere rilevate elettricamente con un dispositivo di Geiger e Rutherford (fr:5654). Esperimenti di diffusione delle particelle α furono condotti da Geiger e Marsden (fr:5686). Rutherford teorizzò lo scattering di particelle α e β e la struttura dell’atom, e studiò le collisioni di particelle α con atomi leggeri (fr:5686). Se la particella α è un atomo di elio, l’elio dovrebbe diffondersi dal vetro e poter essere rilevato spettroscopicamente dopo compressione in un tubo a vuoto (fr:5552). Esperimenti testarono la comparsa di elio in un recipiente colpito da particelle α, con la materia attiva racchiusa in un contenitore sottile che ne permettesse la fuoriuscita (fr:5531). L’elio prodotto si diffonde lentamente, come mostrato dal ritardo nella comparsa delle sue righe spettrali (gialla e verde) che diventano brillanti dopo alcuni giorni (fr:5556, fr:5572, fr:5575). Ramsay e Soddy condussero esperimenti sulla radioattività e la produzione di elio dal radio (fr:5686).
Metodi sperimentali includono la misura della carica di corpuscoli usando gocce d’acqua che formano una nuvola attorno a particelle cariche (fr:5017), o bilanciando la forza elettrica verso l’alto con il peso della goccia misurato in assenza di campo (fr:5045, fr:5047). L’uso di luce ultravioletta su una piastra metallica è un metodo alternativo per ottenere cariche sui corpuscoli (fr:5052). La spettroscopia, introdotta da Kirchhoff e Bunsen, analizza la radiazione emessa o assorbita e si è estesa oltre la luce visibile a tutto lo spettro elettromagnetico (fr:3714, fr:4456). Moseley studiò gli spettri ad alta frequenza degli elementi (fr:5686). L’interazione tra elettricità e magnetismo è evidenziata dal fatto che cariche in moto generano campi magnetici e campi magnetici variabili mettono in moto cariche elettriche (fr:5109). Esperimenti con scariche elettriche in tubi sotto campi magnetici ed elettrici mostrano l’assorbimento di gas (fr:4026). Fenomeni ondulatori sono analoghi all’altezza variabile della superficie dell’acqua dopo il lancio di un sasso (fr:3789).
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10 La definizione e lo sviluppo storico dell’elemento chimico e dell’atomo
Dalle nozioni classiche alle scoperte moderne: un percorso attraverso testi fondamentali.
Il testo esamina l’evoluzione storica dei concetti di elemento e atomo nella chimica. La prima sezione analizza l’idea di elemento, dai quattro elementi degli antichi alla definizione classica di Lavoisier, intesa come “ultimo prodotto dell’analisi chimica” - (fr:9, fr:73). Questa definizione, di natura macroscopica, è silente sulla struttura della materia, a differenza di quella moderna, inseparabile dalla comprensione della struttura atomica e del nucleo “The classical definition evokes macroscopic processes of analytical”wet” chemistry, and is silent on the structure of elements; the modern definition is a microscopic one, inseparable from an understanding of the structure of matter and of particular details of the atomic nucleus.” - (fr:63). L’opera raccoglie articoli di scienziati che hanno contribuito a questo sviluppo, fornendo contesto e commento “My intention here is to collect several articles by scientists who contributed to the development of knowledge about atoms and elements, and to provide sufficient background and commentary to place the work of these pioneers in context.” - (fr:1). Un tema ricorrente è il ruolo del progresso tecnico, poiché “miglioramenti nelle tecniche di chimica analitica hanno notevolmente assistito lo sviluppo della scienza della chimica” - (fr:521). La tecnologia assiste frequentemente il progresso scientifico, anche se la relazione inversa è più nota “Technology frequently does assist the progress of science in this way, even if the opposite relationship, the role of science in advancing technology, is more widely known.” - (fr:5192). La discussione si estende all’ipotesi di Prout sui pesi atomici e al suo successivo esame da parte di Stas, che riportò l’opposto delle aspettative “Jean Servais Stas carried out an extensive set of chemical analyses in the hopes of vindicating Prout’s”multiples” hypothesis … however, he observed, and in 1860 reported, just the opposite.” - (fr:3828). La fine del XVIII secolo vide l’affermazione della definizione classica di elemento e del concetto di atomo come unità base di qualsiasi elemento chimico “By the end of the 18^(th) century, the classical definition of an element as an ultimate product of chemical analysis had become established.” - (fr:1478); “an atom is the individual structure that constitutes the basic unit of any chemical element.” - (fr:1481). Viene notata una distinzione tra i termini “individuo” e “atomo”, con la concezione chimica moderna più vicina al primo “the present chemical conception of atoms is nearer to that defined by the Latin word [”individual”] than by the Greek [”atom”]” - (fr:3537). La scoperta della radioattività rappresentò uno sviluppo chiave, dimostrando che gli atomi degli elementi non sono indistruttibili e aprendo la strada alla fisica nucleare “The discovery of radioactivity thus represents a key development in the modern understanding of the atom–in particular in the knowledge that atoms of elements are not indestructible” - (fr:5233); “natural radioactivity was the phenomenon which proved to be the gateway to nuclear physics” - (fr:4926). L’interpretazione degli esperimenti di scattering da parte di Rutherford portò al modello nucleare dell’atomo “His correct interpretation of that scattering led to the realization that most of the mass of an atom is concentrated in a tiny core or nucleus” - (fr:5514). Il testo affronta anche l’emergere del concetto di isotopo, esteso poi agli elementi non radioattivi “Atoms of the same element which are not identical in every particular represents a significant deviation from Dalton’s concept of the atom” - (fr:5699); “The recognition that elements of different atomic weight may possess identical chemical properties seems destined to have its most important application in the region of inactive elements” - (fr:5751). Vengono menzionati metodi scientifici come la revisione tra pari nel tardo Settecento “peer review in the form of reporting observations and explanations to other interested and competent persons was well established” - (fr:1407) e la differenza tra articoli di ricerca primari e articoli di rassegna “A review article differs from primary reports of scientific research in that it summarizes research on a particular topic carried out and published by many investigators.” - (fr:5746). Il lavoro include osservazioni sul ruolo del linguaggio nella scienza e su errori storici, come il nome scelto da Lavoisier per un elemento, risultato errato “Lavoisier coined the name for an element … chosen to convey information about the element which turned out to be incorrect.” - (fr:774). Altri temi secondari toccati sono la struttura composita di protoni e neutroni, irrilevante per la chimica “Protons and neutrons are themselves composite particles; however, their structure … is unlikely to have any applications to chemistry.” - (fr:527), e le difficoltà nel rendere accessibili al pubblico settori specialistici come la chimica quantistica “most of quantum chemistry and nuclear physics is accessible to non-specialists primarily through re-telling or re-working communications by specialists” - (fr:4931).
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