Elements and Atoms: Case Studies in the Development of Chemistry (2002) | eL | dr

13 Mar, 2026

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1 Elements and Atoms

Casi storici nello sviluppo dei concetti di elemento e atomo

Si presenta un’opera che non intende essere una storia della chimica né un’antologia di articoli classici, ma piuttosto un’attenzione selettiva a dettagli di lavori importanti sugli atomi e sugli elementi, illustrandone lo sviluppo concettuale “Taken as a group, the articles illustrate development of the concepts of element and atom.” - (fr:8). Il volume segue l’approccio delle “storie di casi” di Conant, utilizzando il lavoro di grandi scienziati per illustrare la pratica scientifica a un pubblico colto non specialista “I embrace Conant’s notion that the work of great scientists of the past can be used to illustrate the practice of science to educated people who are not familiar with the working of science.” - (fr:17). La struttura prevede capitoli costruiti attorno a scritti originali di ricercatori, corredati da introduzioni, note esplicative e riferimenti “Each of the following chapters is built around words of an original researcher.” - (fr:20) “Extensive commentary on each selection is presented in the form of footnotes.” - (fr:23).

I contenuti sono organizzati in sezioni: si parte dall’idea di elemento, passando per la teoria atomica, la classificazione periodica e infine la scoperta della non indivisibilità dell’atomo “The first set examine the idea of element… The next set concern the atom… Next, attention returns to elements, and in particular to their classification… Finally… the last set of cases treat the realization that the atom has pieces and is not indivisible.” - (fr:9, 10, 11, 12). Si discute inoltre l’evoluzione della definizione di “elemento”, dal concetto classico (sostanza non scomponibile) a quello moderno (sostanza costituita da atomi con lo stesso numero atomico) “The classical definition evokes macroscopic processes of analytical ‘wet’ chemistry… the modern definition is a microscopic one, inseparable from an understanding of the structure of matter” - (fr:63). L’opera include anche una giustificazione per l’inizio con uno scritto di Aristotele, la cui concezione degli elementi, sebbene non scientifica, è stata un punto di confronto necessario per i chimici successivi “Aristotle’s conception of the elements, even though it was concerned primarily with physical aspects of matter, was one which later chemists had to confront.” - (fr:94).

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2 Trattazione degli elementi naturali e della loro trasformazione

Discussione sulla materia prima, gli elementi e le loro qualità contrarianti.

Si presenta un’indagine sui cosiddetti “elementi” dei corpi, presupposti dai processi naturali di generazione e corruzione delle sostanze complesse. Si discute il disaccordo tra i filosofi sulla materia sottostante i corpi percettibili: alcuni la ritengono unica (Aria, Fuoco o un “intermedio”), altri ne postulano due o più, attribuendo la generazione e corruzione alla loro “associazione”, “dissociazione” o “alterazione” “Others, on the contrary, postulate two or more materials–ascribing to their”association” and “dissociation,” or to their “alteration,” the coming-to-be and passing-away of things.” - (fr:108). Si confuta la teoria di una materia corporea separata e singola e si critica la mancanza di chiarezza nella concezione platonica del “Ricettacolo” “For he has not stated clearly whether his”Omnirecipient” exists in separation from the “elements”; nor does he make any use of it.” - (fr:114).

Si espone quindi la dottrina secondo cui esiste una materia dei corpi percettibili, sempre vincolata a una contrarietà e inseparabile da essa “Our own doctrine is that although there is a matter of the perceptible bodies (a matter out of which the so-called”elements” come-to-be), it has no separate existence, but is always bound up with a contrariety.” - (fr:120). Si riconoscono tre “principi originari”: il sostrato potenzialmente corpo percettibile, le contrarietà (come caldo e freddo) e, solo in terzo luogo, Fuoco, Acqua e simili, poiché questi ultimi mutano reciprocamente “Only”thirdly,” however: for these bodies change into one another (they are not immutable as Empedokles and other thinkers assert, since “alteration” would then have been impossible), whereas the contrarieties do not change.” - (fr:124).

Ci si sofferma nel definire quali e quante contrarietà tangibili costituiscano i principi del corpo, identificando come primarie le coppie caldo-freddo e secco-umido, dalle quali derivano tutte le altre differenze tangibili “From moist and dry are derived (iii) the fine and coarse, viscous and brittle, hard and soft, and the remaining tangible differences.” - (fr:140). Poiché queste quattro qualità sono irriducibili, gli elementi semplici sono quattro: Fuoco (caldo e secco), Aria (caldo e umido), Acqua (freddo e umido) e Terra (freddo e secco) “For Fire is hot and dry, whereas Air is hot and moist (Air being a sort of aqueous vapour); and Water is cold and moist, while Earth is cold and dry.” - (fr:165).

Si dimostra che la generazione reciproca degli elementi è ciclica e avviene per la scomparsa di una o più qualità contrarie. La trasformazione è più rapida tra elementi consecutivi che condividono un fattore complementare (es. Fuoco -> Aria per scomparsa del secco) “Air, e.g., will result from Fire if a single quality changes: for Fire, as we saw, is hot and dry while Air is hot and moist, so that there will be Air if the dry be overcome by the moist.” - (fr:194), mentre è più lenta tra elementi opposti, dove devono scomparire due qualità “For if Fire is to result from Water, both the cold and the moist must pass-away” - (fr:200).

Infine, si argomenta che non può esistere un unico elemento originario, né un numero infinito di elementi, poiché a ciascuno verrebbero attribuite infinite contrarietà, rendendo impossibile definirlo e trasformarlo “Consequently, if the”elements” are infinitely many, there will also belong to the single “element” an infinite number of contrarieties. But if that be so, it will be impossible to define any “element”: impossible also for any to come-to-be.” - (fr:257-258).

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3 La critica di Boyle alle teorie degli elementi in The Sceptical Chymist

Dialogo sull’incertezza dei principi costituenti la materia

Si presenta la figura di Robert Boyle, filosofo naturale fondatore della Royal Society britannica, noto per la legge sui gas e per i contributi in fisica e chimica “The younger Boyle was an important natural philosopher, a founder and influential fellow of Britain’s Royal Society who made important contributions in both physics and chemistry” - (fr:343) [Il giovane Boyle era un importante filosofo naturale, un fondatore e influente membro della Royal Society britannica che diede importanti contributi sia in fisica che in chimica]. La sua opera The Sceptical Chymist è un lungo dialogo sulla natura e sul numero degli elementi, in cui egli contesta le basi insufficienti delle dottrine tradizionali “Boyle does not know how many elements there are or what those elements may be; however, he argues that those who believe the elements to be earth, air, fire, and water (following Aristotle and the ancients) or mercury, sulfur, and salt (following more recent alchemical doctrine) do so on an insufficient basis” - (fr:349) [Boyle non sa quanti elementi ci siano o cosa possano essere quegli elementi; tuttavia, sostiene che coloro che credono che gli elementi siano terra, aria, fuoco e acqua (seguendo Aristotele e gli antichi) o mercurio, zolfo e sale (seguendo la dottrina alchemica più recente) lo fanno su una base insufficiente].

Nel dialogo, i personaggi Carneade, Temistio, Filopono ed Eleuterio discutono se sia preferibile affidarsi agli esperimenti piuttosto che ai sillogismi per indagare la composizione dei corpi “I am not a little pleased to find that you are resolved on this occasion to insist rather on Experiments than Syllogismes” - (fr:355) [Non sono poco contento di scoprire che siete risoluti a insistere in questa occasione piuttosto sugli Esperimenti che sui Sillogismi]. Si conviene di intendere per “Principi” o “Elementi” quei corpi primitivi e semplici di cui i corpi misti sono composti “those primitive and simple Bodies of which the mixt ones are said to be composed, and into which they are ultimately resolved” - (fr:362) [quei corpi primitivi e semplici di cui si dice siano composti quelli misti, e nei quali sono infine risolti]. Carneade, portavoce delle posizioni scettiche, giunge a dubitare della necessità stessa di ammettere un qualsiasi numero determinato di elementi o principi ipostatici “though it may seem extravagant, yet it is not absurd to doubt, whether, for ought has been prov’d, there be a necessity to admit any Elements, or Hypostatical Principles, at all” - (fr:370) [sebbene possa sembrare stravagante, non è assurdo dubitare se, per quanto è stato dimostrato, ci sia la necessità di ammettere qualsiasi Elemento, o Principi Ipostatici, del tutto].

La conclusione del discorso di Carneade è che gli argomenti portati dagli alchimisti a sostegno dei tre o cinque principi sono meno solidi di quelli usati per dimostrare che non esiste un numero certo e determinato di tali principi “the Arguments wont to be brought by Chymists, to prove That all Bodies consist of either Three Principles, or Five, are far from being so strong as those that I have employ’d to prove, that there is not any certain and Determinate number of such Principles or Elements to be met with Universally in all mixt Bodies” - (fr:384) [gli argomunti soliti portati dai Chimici, per provare che tutti i Corpi consistono o di Tre Principi, o di Cinque, sono ben lontani dall’essere forti quanto quelli che ho impiegato per provare che non esiste un numero certo e Determinato di tali Principi o Elementi da incontrarsi universalmente in tutti i corpi misti]. Eleuterio, in risposta, propone una riconciliazione pratica, suggerendo che, pur non essendo puri, i principi separati sperimentalmente possano essere considerati elementi utili “these Principles, Though they be not perfectly Devoid of all Mixture, yet may without inconvenience be stil’d the Elements of Compounded bodies” - (fr:393) [questi Principi, sebbene non siano perfettamente Privi di ogni Miscela, possono tuttavia senza inconveniente essere chiamati Elementi dei corpi Composti]. Il dialogo si chiude con Carneade che ammette la propria insoddisfazione rispetto a tutte le dottrine esaminate e la difficoltà di trovare una teoria soddisfacente “I can yet so little discover what to acquiesce in, that perchance the Enquiries of others have scarce been more unsatisfactory to me, than my own have been to my self” - (fr:401) [Posso ancora così poco scoprire in cosa acquietarmi, che forse le indagini altrui sono state a malapena più insoddisfacenti per me, di quanto lo siano state le mie per me stesso].

Le note allegate spiegano il contesto, precisando che il termine “chymical” corrisponde all’odierno “alchemical” “A modern writer would use alchemical in many places where Boyle uses chymical” - (fr:407) [Uno scrittore moderno userebbe alchemical in molti luoghi dove Boyle usa chymical] e che l’opera utilizza il genere dialogico, comune nella filosofia naturale del tempo, per affrontare questioni scientifiche in modo non polemico “Boyle makes a point of employing a friendly dialogue so as to allow the clashing of ideas without the harsh polemics which often crept into learned treatises” - (fr:425) [Boyle si impegna a utilizzare un dialogo amichevole per consentire lo scontro di idee senza le aspre polemiche che spesso si insinuavano nei trattati dotti].

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4 Prefazione agli “Elementi di Chimica” di Antoine Lavoisier

Sulla riforma della nomenclatura chimica e il metodo scientifico

Si presenta la prefazione in cui si discute dell’origine e degli intenti del trattato, nato dal proposito di riformare la nomenclatura chimica. Si afferma che “When I began the following Work, my only object was to extend and explain more fully the Memoir which I read at the public meeting of the Academy of Science in the month of April 1787, on the necessity of reforming and completing the Nomenclature of Chemistry” - (fr:557) [Quando iniziai il seguente lavoro, il mio unico obiettivo era estendere e spiegare più a fondo la Memoria che lessi alla riunione pubblica dell’Accademia delle Scienze nel mese di aprile 1787, sulla necessità di riformare e completare la Nomenclatura della Chimica]. Il lavoro si è trasformato in un trattato sugli elementi della chimica poiché “the impossibility of separating the nomenclature of a science from the science itself, is owing to this, that every branch of physical science must consist of three things; the series of facts which are the objects of the science, the ideas which represent these facts, and the words by which these ideas are expressed” - (fr:564) [l’impossibilità di separare la nomenclatura di una scienza dalla scienza stessa dipende da ciò, che ogni ramo della scienza fisica deve consistere di tre cose: la serie di fatti che sono gli oggetti della scienza, le idee che rappresentano questi fatti e le parole con cui queste idee sono espresse].

Si espone il metodo scientifico da seguire, procedendo dal noto all’ignoto e basandosi esclusivamente su fatti ed esperimenti. Si dichiara: “I have imposed upon myself, as a law, 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) [Mi sono imposto, come legge, di non procedere mai se non da ciò che è noto a ciò che è ignoto; di non formare alcuna conclusione che non sia una conseguenza immediata che scaturisce necessariamente dall’osservazione e dall’esperimento]. Si critica la teoria tradizionale dei quattro elementi, considerata un pregiudizio: “The notion of four elements, which, by the variety of their proportions, compose all the known substances in nature, is a mere hypothesis, assumed long before the first principles of experimental philosophy or of chemistry had any existence” - (fr:602) [L’idea dei quattro elementi, che, con la varietà delle loro proporzioni, compongono tutte le sostanze note in natura, è una mera ipotesi, assunta molto prima che i primi principi della filosofia sperimentale o della chimica avessero alcuna esistenza].

Si descrivono i principi della nuova nomenclatura, che deve esprimere le proprietà caratteristiche delle sostanze: “We endeavoured to frame them in such a manner as to express the most general and the most characteristic quality of the substances” - (fr:618) [Ci sforzammo di formarli in modo tale da esprimere la qualità più generale e più caratteristica delle sostanze]. Si risponde alle obiezioni sulla riforma linguistica, citando il sostegno di Bergman. Si accenna infine alla struttura dell’opera, divisa in tre parti: principi generali, tabelle nomenclaturali e descrizione delle operazioni pratiche. La prefazione si conclude con una citazione di Condillac sull’importanza del linguaggio nella scienza: “Instead of applying observation to the things we wished to know, we have chosen rather to imagine them” - (fr:671) [Invece di applicare l’osservazione alle cose che volevamo conoscere, abbiamo preferito immaginarle].

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5 Il pensiero di Lavoisier e la chimica del suo tempo

Le riflessioni di Lavoisier sui fondamenti della chimica e il dibattito con i contemporanei.

Si discute del metodo e delle idee di Antoine Lavoisier nel contesto della chimica del suo tempo. Egli sosteneva l’importanza della chimica descrittiva, poiché “In Lavoisier’s mind, it makes no sense to jump to this summary table without first describing the various substances and their characteristic reactions” - (fr:740) [Nella mente di Lavoisier, non ha senso passare direttamente a questa tabella riassuntiva senza prima descrivere le varie sostanze e le loro reazioni caratteristiche.]. La questione del ruolo della chimica descrittiva “continues to be a topic of debate in chemical education” - (fr:741). Viene presentata la tabella delle affinità, definita come “a summary of a great deal of information on chemical reactions” - (fr:736) [un riassunto di una grande quantità di informazioni sulle reazioni chimiche], che elenca “what substances react chemically with a given substance, often in order of the vigor or extent of the reaction” - (fr:737) [quali sostanze reagiscono chimicamente con una data sostanza, spesso in ordine di vigore o estensione della reazione.]. Si menzionano i suoi contemporanei, come “Bergman, Scheele, De Morveau, and Kirwan” - (fr:745), e si cita il contributo alla scoperta di elementi da parte di Scheele e il sostegno di Kirwan alla teoria del flogisto. Viene analizzato il pragmatismo di Lavoisier, che “suggests, in essence, forgetting about the ultimate building blocks of matter” - (fr:758) [suggerisce, in sostanza, di dimenticare gli elementi costitutivi ultimi della materia], spostando l’attenzione su “what they can observe empirically, the ultimate products of chemical analysis” - (fr:760) [ciò che possono osservare empiricamente, i prodotti finali dell’analisi chimica]. Questa visione porta a una definizione operativa di elemento come “a body which cannot be broken down further by chemical analysis” - (fr:761) [un corpo che non può essere scomposto ulteriormente dall’analisi chimica]. Sebbene Lavoisier sia considerato il principale responsabile del superamento della teoria del flogisto, si nota che “the theory, though incorrect, was not as nonsensical as it may now appear” - (fr:757) [la teoria, sebbene errata, non era così insensata come potrebbe apparire oggi]. Il testo accenna anche all’influenza persistente delle idee antiche e alla visione ottimistica di Lavoisier sui futuri sviluppi della chimica.

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[6.1-98-907|1004]

6 Scoperta e caratterizzazione di una nuova specie d’aria deflogisticata

Resoconto sperimentale sull’estrazione e proprietà di un’aria più pura dell’aria atmosferica

Si presenta una serie di esperimenti volti a investigare la natura dell’aria estratta da diverse sostanze. Si procede inizialmente estraendo aria dal mercurius calcinatus per se per mezzo di una lente ustoria, rilevando che una candela in tale aria brucia con una fiamma “remarkably vigorous” “with a remarkably vigorous flame” - (fr:920) [con una fiamma notevolmente vigorosa]. La stessa proprietà si osserva nell’aria estratta dal red precipitate e dal red lead o minium “At the same time that I made the above mentioned experiment, I extracted a quantity of air, with the very same property, from the common red precipitate” - (fr:922) [Allo stesso tempo in cui facevo l’esperimento sopra menzionato, estraevo una quantità d’aria, con la stessa proprietà, dal comune precipitato rosso]; “At the same time that I had got the air above mentioned from mercurius calcinatus and the red precipitate, I had got the same kind from red lead or minium” - (fr:928) [Allo stesso tempo in cui avevo ottenuto l’aria sopra menzionata dal mercurius calcinatus e dal precipitato rosso, avevo ottenuto lo stesso tipo dal litargirio o minio]. Si constata che quest’aria, a differenza dell’aria nitrosa modificata, non perde la sua proprietà dopo prolungata agitazione in acqua “after more than ten times as much agitation as would be sufficient to produce this alteration in the nitrous air, no sensible change was produced in this” - (fr:937) [dopo un’agitazione più di dieci volte superiore a quella che sarebbe stata sufficiente a produrre questa alterazione nell’aria nitrosa, non fu prodotto nessun cambiamento sensibile in questa].

Successivamente, applicando il test dell’aria nitrosa, si osserva che l’aria dal mercurius calcinatus si riduce “quite as much as common air” “I found, not only that it was diminished, but that it was diminished quite as much as common air” - (fr:946) [trovai non solo che essa era diminuita, ma che era diminuita proprio quanto l’aria comune]. Un esperimento inatteso mostra che, dopo una notte, una miscela di aria nitrosa e di quest’aria permette ancora alla candela di bruciare, e persino meglio che nell’aria comune “a candle burned in it, and even better than in common air” - (fr:954) [una candela vi bruciò, e persino meglio che nell’aria comune]. Prove di respirabilità vengono condotte con topi: un topo sopravvive per mezz’ora in quest’aria, il doppio del tempo previsto nell’aria comune, uscendo dall’esperimento vivo e vigoroso “In this air, however, my mouse lived a full half hour… upon being held to the fire, it presently revived” - (fr:962) [In quest’aria, tuttavia, il mio topo visse un’intera mezz’ora… dopo essere stato avvicinato al fuoco, si riprese immediatamente]. Test quantitativi con aria nitrosa dimostrano che questa nuova aria è molto più pura dell’aria comune, arrivando ad assorbirne più di quattro volte e mezzo la quantità “this air took more than four half-measures before it ceased to be diminished by more nitrous air… I conclude that it was between four and five times as good as common air” - (fr:983) [questa aria assorbì più di quattro mezze misure prima di cessare di essere diminuita da altra aria nitrosa… conclusi che era tra le quattro e le cinque volte migliore dell’aria comune].

Si giunge infine a identificare questa come una nuova specie d’aria, definita “dephlogisticated” perché capace di assorbire più flogisto dall’aria nitrosa “that, being capable of taking more phlogiston from nitrous air, it therefore originally contains less of this principle; my next inquiry was, by what means it comes to be so pure, or philosophically speaking, to be so much dephlogisticated” - (fr:986) [che, essendo capace di assorbire più flogisto dall’aria nitrosa, quindi originariamente contiene meno di questo principio; la mia successiva indagine fu su come essa diventi così pura, o filosoficamente parlando, così deflogisticata]. L’indagine si estende quindi ad altri preparati di piombo.

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7 Nuova teoria della combustione

Ipotesi alternativa alla teoria del flogisto

Si presenta una nuova ipotesi sulla combustione e la calcinazione, introdotta per spiegare i fenomeni in modo più soddisfacente rispetto alla teoria di Stahl “I venture to propose to the Academy today a new theory of combustion, or rather, to speak with the reserve which I customarily impose upon myself, a hypothesis by the aid of which we may explain in a very satisfactory manner all the phenomena of combustion and of calcination” - (fr:1189). Si descrivono quattro fenomeni ricorrenti nella combustione: sviluppo di materia del fuoco o luce “In all combustions the matter of fire or light is evolved” - (fr:1194); necessità dell’aria pura “combustion may take place in only a single variety of air: that which Mr. Priestley has named dephlogisticated air” - (fr:1195); distruzione dell’aria pura e aumento proporzionale di peso del corpo bruciato “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); trasformazione del corpo bruciato in acido “In all combustion the body of which is burned changes into acid by the addition of the substance which increases its weight” - (fr:1198). Si critica la teoria del flogisto, considerata una spiegazione circolare “combustible bodies contain the matter of fire because they burn and that they burn because they contain the matter of fire… this is explaining combustion by combustion” - (fr:1205-1206).

Si propone quindi un’ipotesi opposta, nella quale la materia del fuoco è un fluido sottile ed elastico che circonda e penetra i corpi “the matter of fire or of light is a very subtle, very elastic fluid which surrounds all parts of the planet which we inhabit” - (fr:1209). L’aria pura è vista come una combinazione di questo fluido igneo con una base “Pure air… is an igneous combination in which the matter of fire or of light enters as a dissolvent and in which another substance enters as a base” - (fr:1213). La combustione avviene quando una sostanza con maggiore affinità per tale base si presenta, la base si unisce ad essa e il fluido dissolvente (la materia del fuoco) si libera, manifestandosi come calore e fiamma “the dissolvent which it has left becomes free; it regains all its properties and escapes with the characteristics by which it is known, that is to say, with flame, heat, and light” - (fr:1214). Da questo punto di vista, “pure air… is then, from this point of view, the true combustible body and perhaps the only one in nature” - (fr:1229).

L’ipotesi viene applicata anche alla calcinazione dei metalli e, per analogia, alla respirazione animale. Si sostiene che la decomposizione dell’aria pura nei polmoni, con sviluppo di materia del fuoco, sia la fonte del calore animale “the matter of fire should likewise be evolved in the lungs… it is this matter of fire without doubt which… maintains a constant heat” - (fr:1243). Si conclude affermando che l’obiettivo non è sostituire una teoria rigorosamente dimostrata, ma proporre un’ipotesi più probabile e conforme alle leggi della natura “my object is not to substitute a rigorously demonstrated theory but solely a hypothesis which appears to me more probable, more conformable to the laws of nature” - (fr:1246).

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8 Lavoisier e la decomposizione dell’acqua

Indagini scientifiche tra scoperte, false piste e correzioni successive.

Si presenta come un fenomeno comune nella ricerca il fatto che, dopo una nuova scoperta, si cerchino sistematicamente altre sue occorrenze, talvolta portando a interpretazioni errate. “una volta che una nuova idea si è stabilita […] è naturale e spesso fruttuoso cercare altre occorrenze di essa” - (fr:1447). Come esempi, si citano Lavoisier che “cerca altre circostanze in cui l’acqua potrebbe decomporsi” - (fr:1448) dopo averne visto la decomposizione, e William Ramsay che in seguito cercherà nuovi gas con proprietà simili a uno scoperto [ (fr:1449)].

Si discute di come le aspettative possano sia guidare indagini fruttuose che colorare le osservazioni, portando a falsi indizi “in circostanze come questa” - (fr:1450). “Le preconcezioni e le aspettative possono portare a indagini fruttuose, ma possono anche colorare le interpretazioni e persino le osservazioni” - (fr:1452). Ci si riferisce al caso specifico di Lavoisier che, resosi evidente la decomposizione dell’acqua, “la trova anche in alcune circostanze in cui non si verifica” - (fr:1454), ad esempio nella dissoluzione dei metalli in acidi forti o nel processo di fermentazione.

Con la conoscenza attuale, si corregge che la dissoluzione dei metalli negli acidi forti non coinvolge l’idrolisi, bensì un trasferimento di elettroni dal metallo agli ioni idrogeno, formando idrogeno gassoso e ioni metallici “simili alla sua condizione in una calce o in un sale” - (fr:1458). Si precisa che “Il cambiamento nella lucentezza superficiale di un metallo che si dissolve in acido è in realtà la formazione di un sale, non di una calce” - (fr:1459) e che la chimica di Lavoisier non distingueva tra ossidi anidri solubili in acqua e i loro acidi corrispondenti [ (fr:1460)].

Si trattano le differenze tra reazioni in acido solforico (o acido cloridrico) e in acido nitrico, dove in quest’ultimo “l’azoto riceve gli elettroni ceduti dai metalli che si dissolvono” - (fr:1467). Si menziona l’errore di Lavoisier riguardo alla fermentazione, dove la produzione di anidride carbonica lo indusse a pensare a una partecipazione dell’ossigeno, mentre “in realtà, la fermentazione è una scomposizione microbicamente assistita dello zucchero in alcol e anidride carbonica” - (fr:1470). Infine, si conclude notando come, nonostante prove simili a quelle della fermentazione, Lavoisier fosse casualmente corretto nell’affermare che “l’acqua viene scomposta in questo processo” - (fr:1472) della fotosintesi.

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9 Tavola dei pesi atomici e composizione dei composti

Pesi relativi degli elementi e formule atomiche dei composti

Si presentano le composizioni atomiche e i pesi relativi di diversi composti chimici, espressi in atomi di idrogeno presi come unità. Si afferma che “l’ammoniaca è un composto binario di idrogeno e azoto, e i pesi relativi dei due atomi sono 1:5, approssimativamente” - (fr:1597) e che “il gas nitroso è un composto binario di azoto e ossigeno, i cui atomi pesano rispettivamente 5 e 7” - (fr:1598). Vengono fornite analoghe descrizioni per l’acido nitrico, l’ossido nitroso, l’acido carbonico e altri composti, specificando se sono binari o ternari e il peso dei loro atomi costituenti “In tutti questi casi i pesi sono espressi in atomi di idrogeno, ciascuno dei quali è indicato con l’unità” - (fr:1601).

Si anticipa che, in seguito, “i fatti e gli esperimenti da cui queste conclusioni sono derivate, saranno dettagliati; così come una grande varietà di altri da cui si inferisce la costituzione e il peso delle particelle ultime dei principali acidi, gli alcali, le terre, i metalli, gli ossidi e i solfuri metallici, la lunga serie di sali neutri, e in breve, tutti i composti chimici che hanno finora ottenuto un’analisi sufficientemente buona” - (fr:1602), supportati anche da “esperimenti originali” - (fr:1603).

A causa della “novità oltre che dell’importanza delle idee suggerite in questo capitolo, si ritiene opportuno fornire tavole, che mostrino il modo di combinazione in alcuni dei casi più semplici” - (fr:1604). Il metodo di notazione prevede che “Gli elementi o atomi di tali corpi che al momento si ritiene siano semplici, sono denotati da un piccolo cerchio, con un segno distintivo; e le combinazioni consistono nella giustapposizione di due o più di questi” - (fr:1606).

Viene infine presentata una “Tavola dei pesi atomici” (fr:1608), che elenca il peso relativo di elementi come idrogeno (1), azoto (5), carbonio (5), ossigeno (7) e altri, fino a mercurio (167). Segue un elenco di composti con la loro composizione atomica e peso, ad esempio “Un atomo di acqua o vapore, composto da 1 di ossigeno e 1 di idrogeno… il suo peso relativo = 8” - (fr:1629) e “Un atomo di ammoniaca, composto da 1 di azoto e 1 di idrogeno 6” - (fr:1630).

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10 Isotopi e la proposta di Dalton sui pesi atomici

Definizione di isotopi e critica al modello atomico di Dalton

Trattazione degli isotopi e dell’ipotesi atomica di John Dalton, con un’analisi dei suoi presupposti e limiti. Si presentano gli isotopi come “forme diverse di atomo dello stesso elemento” - (fr:1687) [Le diverse forme di atomo dello stesso elemento sono chiamate isotopi], caratterizzati dal fatto che “i loro atomi hanno identico esterno ma interno diverso” - (fr:1689). Si discute come Dalton ritenesse impossibile l’esistenza degli isotopi, poiché “scartò la possibilità degli isotopi perché riteneva che campioni diversi d’acqua avrebbero avuto proprietà osservabilmente diverse (pesi, ad esempio), se ci fossero state molecole d’acqua diverse” - (fr:1690), una situazione che non era nota e che egli credeva inesistente dato che “tutte le sostanze in cui appariva un particolare elemento avevano la stessa proporzione di isotopi” - (fr:1692).

Ci si sofferma sulla teoria atomica di Dalton. “In questo paragrafo apparentemente innocuo, Dalton combinò il principio di conservazione della materia con la sua ipotesi atomica” - (fr:1699). Egli ipotizzò che “se gli atomi (semplici, almeno) erano particelle indistruttibili, allora nessuna materia sarebbe stata creata o distrutta perché nessuna particella di materia sarebbe stata creata o distrutta” - (fr:1700), immaginando che “forse le reazioni chimiche coinvolgevano solo il riarrangiamento degli atomi” - (fr:1702).

Si tratta poi del suo lavoro quantitativo sui pesi di combinazione, poiché “nello studio quantitativo della chimica, molti ricercatori erano impegnati a misurare ‘i pesi di combinazione’” - (fr:1704). “Dalton propose di compilare e confrontare i pesi di combinazione di reazioni diverse per dedurre i relativi pesi di combinazione di tutti gli elementi allora noti” - (fr:1708), associando quei pesi a quelli degli atomi. “La proposta di Dalton qui è di compilare una lista di pesi atomici” - (fr:1716).

Tuttavia, si evidenzia l’errore fondamentale del suo schema: “È qui che i chimici moderni possono vedere, col senno di poi, il difetto nello schema di Dalton” - (fr:1722). “In termini moderni, Dalton desidera determinare le formule molecolari e i pesi atomici allo stesso tempo” - (fr:1724). Il problema è che “Dalton non conosce le formule dei composti” - (fr:1726) e quindi “usa le regole plausibili ma arbitrarie qui descritte per indovinare le formule” - (fr:1727).

[11]

[11.1-112-1807|1918]

11 Combinazioni gassose e proporzioni volumetriche semplici

Esperimenti e osservazioni sulle combinazioni tra gas e le leggi che le governano.

Si presentano gli esperimenti condotti per indagare le proporzioni in cui i gas si combinano. Si discute la questione, ancora lontana dalla soluzione, e si espongono fatti che possono contribuire al suo chiarimento. “Such is the state of the question now under discussion; it is still very far from receiving its solution, but I hope that the facts which I now proceed to set forth… will contribute to its elucidation” - (fr:1807) [Questo è lo stato della questione ora in discussione; è ancora molto lontana dal ricevere la sua soluzione, ma spero che i fatti che ora procedo a esporre… contribuiranno al suo chiarimento]. Il sospetto che i gas potessero combinarsi in rapporti semplici ha portato a esperimenti con gas come l’ammoniaca, il cloridrico, il fluoroborico e il carbonico. “Suspecting… that other gases might also combine in simple ratios, I have made the following experiments” - (fr:1808) [Sospettando… che anche altri gas potessero combinarsi in rapporti semplici, ho eseguito i seguenti esperimenti]. Si osserva che 100 parti di gas cloridrico saturano precisamente 100 parti di gas ammoniaca, formando un sale neutro “100 parts of muriatic gas saturate precisely 100 parts of ammonia gas, and the salt which is formed from them is perfectly neutral” - (fr:1810). Al contrario, il gas fluoroborico si combina in due proporzioni, e il carbonico dà sempre un sottocarbonato di 100 parti di gas carbonico e 200 di ammoniaca. “If carbonic gas is brought into contact with ammonia gas… there is always formed a sub-carbonate composed of 100 parts of carbonic gas and 200 of ammonia gas” - (fr:1814).

Dagli esperimenti si conclude che acidi diversi neutralizzano un volume di gas ammoniaca uguale al proprio e che la neutralità potrebbe derivare dalla combinazione di volumi uguali di acido e alcali gassosi. “It is very remarkable to see acids so different from one another neutralise a volume of ammonia gas equal to their own… neutrality would result from the combination of equal volumes of acid and alkali” - (fr:1820). Sia che si ottenga un sale neutro o un sottosale, gli elementi si combinano in rapporti semplici, considerabili come limiti alle loro proporzioni. “It is not less remarkable that, whether we obtain a neutral salt or a sub-salt, their elements combine in simple ratios which may be considered as limits to their proportions” - (fr:1821). Si forniscono ulteriori prove: l’ammoniaca è composta da 100 di azoto e 300 di idrogeno per volume; l’acido solforico da 100 di gas solforoso e 50 di ossigeno; l’acido carbonico da 100 di ossido di carbonio e 50 di ossigeno. “Ammonia is composed of 100 of nitrogen 300 of hydrogen, by volume” - (fr:1825); “sulphuric acid is composed of 100 of sulphurous gas, 50 of oxygen gas” - (fr:1827); “carbonic acid may be considered as being composed of 100 of carbonic oxide gas, 50 of oxygen gas” - (fr:1829). Anche i composti di azoto e ossigeno seguono rapporti volumetrici semplici: 100:50 per il protossido, 100:100 per il gas nitrico, 100:200 per l’acido nitrico. “We may then admit the following numbers… Nitrous oxide 100 .. Nitrous gas 100 .. Nitric acid 100 200” - (fr:1833). Appare evidente che i gas si combinano sempre nelle proporzioni più semplici, con rapporti di 1 a 1, 1 a 2 o 1 a “Thus it appears evident to me that gases always combine in the simplest proportions… the ratio of combination is 1 to 1, 1 to 2, or 1 to 3” - (fr:1833).

Si mette in contrasto il comportamento dei gas con quello delle sostanze solide o liquide: considerando i pesi non c’è una relazione semplice tra gli elementi di un composto, mentre per volume gli elementi dei composti gassosi sono sempre multipli l’uno dell’altro. “It is very important to observe that in considering weights there is no simple and finite relation between the elements of any one compound… Gases, on the contrary… always give rise to compounds whose elements by volume are multiples of each other” - (fr:1834-1835). Anche la contrazione apparente di volume sperimentata dai gas durante la combinazione ha una semplice relazione con il volume di uno di essi. “Not only, however, do gases combine in very simple proportions… but the apparent contraction of volume which they experience on combination has also a simple relation to the volume of the gases” - (fr:1836). Si forniscono esempi per acido carbonico, protossido di azoto, gas nitrico, ammoniaca e acido cloridrico ossigenato, mostrando una concordanza quasi perfetta tra densità calcolate e sperimentali. “We see, then, from these various examples, that the contraction experienced by two gases on combination is in almost exact relation with their volume… Only very slight differences exist between the densities of compounds obtained by calculation and those given by experiment” - (fr:1875-1876).

Si discute la relazione tra l’avvicinamento delle molecole elementari e la diminuzione di volume, notando che non c’è un rapporto immediato, come dimostra il gas nitrico che non mostra diminuzione di volume. “The observation that the gaseous combustibles combine with oxygen in the simple ratio… can lead us to determine the density of the vapours of combustible substances” - (fr:1888); “we must admit… that the condensation of the molecules of two combining substances… has no immediate relation to the condensation of volume” - (fr:1887). Infine, ci si sofferma sulla discussione tra proporzioni costanti o variabili nei composti, cercando di conciliare la teoria di Dalton (combinazioni da atomo ad atomo in proporzioni multiple) con l’opinione di Berthollet (combinazioni continue). “Each of these two opinions has, therefore, a large number of facts in its favour; although they are apparently utterly opposed, it is easy to reconcile them” - (fr:1901). La riconciliazione proposta ammette che l’azione chimica si esercita in modo continuo, ma che sono favorite combinazioni con elementi in rapporti semplici o proporzioni multiple. “We must first of all admit, with M. Berthollet, that chemical action is exercised indefinitely… But then we must admit at the same time that… chemical action is exerted more powerfully when the elements are in simple ratios” - (fr:1902-1903).

In conclusione, si ribadisce che i composti tra sostanze gassose si formano sempre in rapporti volumetrici molto semplici (1:1, 1:2, 1:3), proprietà peculiare dello stato gassoso. “I have shown in this Memoir that the compounds of gaseous substances with each other are always formed in very simple ratios… These ratios by volume are not observed with solid or liquid substances… and they form a new proof that it is only in the gaseous state that substances are in the same circumstances and obey regular laws” - (fr:1905-1906).

[12]

[12.1-69-2405|2473]

12 Determinazione dei pesi atomici e densità relative dei gas

Tavole e calcoli sui pesi atomici e le densità dei gas elementari

Si presentano i risultati di esperimenti per determinare i pesi atomici di vari elementi e le densità relative dei loro gas rispetto all’idrogeno. Per il carbonio, si assume un peso atomico di 5, da cui si calcola che la densità del suo gas è 4166, ovvero 12 volte quella dell’idrogeno (“I assume the weight of an atom of carbon at 5.” - (fr:2405) [Assumo il peso di un atomo di carbonio a 5.] e “Hence the sp. gr. of a volume of it in a state of gas will be found by calculation to be .4166, or exactly 12 times that of hydrogen.” - (fr:2408) [Quindi il peso specifico di un volume di esso in stato gassoso si troverà per calcolo essere .4166, o esattamente 12 volte quello dell’idrogeno.]). Per lo zolfo, il peso atomico è 20 e la densità del suo gas è 1111, 16 volte quella dell’idrogeno (“The weight of an atom of sulphur is” - (fr:2410) [Il peso di un atomo di zolfo è ] e “Hence the specific gravity of its gas is the same as that of oxygen, or 1111, and consequently just 16 times that of hydrogen.” - (fr:2411) [Quindi la gravità specifica del suo gas è la stessa di quella dell’ossigeno, o 1111, e di conseguenza esattamente 16 volte quella dell’idrogeno.]). Per il fosforo, si adottano i numeri di Wollaston che fissano il peso atomico a circa 5 (“The results I have obtained approached nearly to those given by Dr. Wollaston, which I am therefore satisfied are correct, or nearly so, and which fix phosphorus at about 5” - (fr:2414) [I risultati che ho ottenuto si avvicinavano molto a quelli dati dal Dr. Wollaston, che sono quindi soddisfatto siano corretti, o quasi, e che fissano il fosforo a circa 5]).

Si procede con la determinazione per altri elementi tramite calcoli stechiometrici. Per il calcio, da dati sul carbonato di calcio si ricava un peso atomico di 25 e una densità del gas 20 volte quella dell’idrogeno (“Hence as 9:56.1::27.5:35.1, or 35 very nearly; and 35 - 10 = 25, for the atom of calcium.” - (fr:2417) [Quindi come 9:56.1::27.5:35.1, o 35 molto approssimativamente; e 35 - 10 = 25, per l’atomo di calcio.] e “The sp. gr. of a volume of its gas will therefore be 3888, or exactly 20 times that of hydrogen.” - (fr:2420) [Il peso specifico di un volume del suo gas sarà quindi 3888, o esattamente 20 volte quello dell’idrogeno.]). Per il sodio, da esperimenti con carbonato di sodio cristallizzato, si ricava un peso atomico di 30 e una densità del gas 24 volte quella dell’idrogeno (“67.5 dry subcarbonate of soda, and 5 - 5 = 40 for the atom of soda, and 40 - 10 = 30 for the atom of sodium.” - (fr:2432) [67.5 di sottocarbonato di soda secco, e 5 - 5 = 40 per l’atomo di soda, e 40 - 10 = 30 per l’atomo di sodio.] e “Hence a volume of it in a gaseous state will weigh 6666, or exactly 24 times that of hydrogen.” - (fr:2433) [Quindi un volume di esso in stato gassoso peserà 6666, o esattamente 24 volte quello dell’idrogeno.]).

Analogamente, si riportano i pesi atomici e le densità relative per il ferro (35, 28 volte l’idrogeno) (“Hence as 6:10.45::62.5:35.1, or for the sake of analogy, 35, the weight of an atom of iron.” - (fr:2438) [Quindi come 6:10.45::62.5:35.1, o per amor di analogia, 35, il peso di un atomo di ferro.] e “The sp. gr. of a volume of this metal in a gaseous state will be 9444, or exactly 28 times that of hydrogen.” - (fr:2441) [Il peso specifico di un volume di questo metallo in stato gassoso sarà 9444, o esattamente 28 volte quello dell’idrogeno.]), per lo zinco (40, 32 volte) (“the weight of the atom of zinc, considered from analogy to be” - (fr:2445) [il peso dell’atomo di zinco, considerato per analogia essere ] e “Hence the sp. gr. of a volume of it in a gaseous state will be 222, or exactly 32 times that of hydrogen.” - (fr:2448) [Quindi il peso specifico di un volume di esso in stato gassoso sarà 222, o esattamente 32 volte quello dell’idrogeno.]), per il potassio (50, 40 volte) (“60 - 10 = 50, the weight of the atom of potassium.” - (fr:2455) [60 - 10 = 50, il peso dell’atomo di potassio.] e “Hence a volume of it in a state of gas will weigh 7777, or exactly 40 times as much as hydrogen.” - (fr:2456) [Quindi un volume di esso in stato gassoso peserà 7777, o esattamente 40 volte quanto l’idrogeno.]) e per il bario (97.5, 70 volte) (“125 - 5 = 5, the weight of the atom of barytium.” - (fr:2460) [125 - 5 = 5, il peso dell’atomo di bario.] e “The sp. gr. therefore, of a volume of its gas will be 8611, or exactly 70 times that of hydrogen.” - (fr:2463) [Il peso specifico, quindi, di un volume del suo gas sarà 8611, o esattamente 70 volte quello dell’idrogeno.]).

Si precisa che gli esperimenti sono stati condotti con grande accuratezza e ripetuti più volte (“With respect to the above experiments, I may add, that they were made with the greatest possible attention to accuracy, and most of them were many times repeated with almost precisely the same results.” - (fr:2464) [Per quanto riguarda gli esperimenti di cui sopra, posso aggiungere che sono stati condotti con la massima attenzione possibile all’accuratezza, e la maggior parte di essi sono stati ripetuti molte volte con risultati quasi identici.]). Infine, si introduce una tabella che riassume i risultati e le proporzioni in volume e peso (“The following tables exhibit a general view of the above results, and at the same time the proportions, both in volume and weight, in which they unite with oxygen and hydrogen” - (fr:2465) [Le seguenti tabelle mostrano una visione generale dei risultati sopra esposti, e allo stesso tempo le proporzioni, sia in volume che in peso, in cui si uniscono con ossigeno e idrogeno] e “TABLE I.– Elementary Substances.” - (fr:2466) [TABELLA I.– Sostanze Elementari.]).

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[13.1-34-2657|2690]

13 Pesi atomici e gravità specifiche dei gas

Confronto tra valori teorici e sperimentali in una tavola chimica

Si presenta una tabella che riporta i pesi atomici di diversi elementi. La prima colonna indica “le gravità specifiche delle diverse sostanze in uno stato gassoso, essendo l’idrogeno 1”, e i numeri rappresentano anche il peso in grani di un volume fisso di ciascun gas “se supponiamo che il volume sia di 47,21435 pollici cubici” - (fr:2687). Una colonna successiva mostra i valori corretti, “supponendo che l’atomo di ossigeno sia 10” - (fr:2688), per confrontarli con i dati sperimentali, come illustrato dalla frase: “e nella quarta, gli stessi, ottenuti per esperimento, sono dichiarati, per mostrare quanto essi coincidano” - (fr:2689). La tabella elenca i valori per numerosi elementi, citando spesso i ricercatori che li hanno determinati, ad esempio: “Aluminium 8 8 10 68⁽¹⁾ ⁽¹⁾Berzelius” - (fr:2661); “Copper 32 32 40 40⁽⁷⁾ ⁽⁷⁾As deduced by Dr. Thomson” - (fr:2667); “Platinum 96 96 120 66⁽¹⁸⁾ ⁽¹⁸⁾Ditto” - (fr:2678). Viene fatto un cenno specifico allo iodio, con l’affermazione: “Delle singole sostanze menzionate, non ho alcuna osservazione da fare, eccetto che per quanto riguarda lo iodio” - (fr:2690). L’autore osserva infine che la tabella, insieme alle altre, “sarà facilmente compresa” - (fr:2686).

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[14.1-288-2993|3280]

14 Le Relazioni tra i Pesi Equivalenti degli Elementi e la Legge delle Ottave di Newlands

Analisi numerica dei pesi atomici e proposta di una classificazione periodica

Si presenta una serie di comunicazioni di John A. R. Newlands in cui si discute delle relazioni numeriche tra i pesi equivalenti (o atomici) di elementi chimici analoghi. Inizialmente, si mostrano “tra le relazioni più sorprendenti osservate confrontando gli equivalenti di elementi analoghi” (fr:2993). L’autore organizza gli elementi in gruppi (es. metalli alcalini, alogeni) e ne analizza i pesi equivalenti, notando che spesso il valore di un elemento è la media di altri due nel suo gruppo, formando cosiddette “triadi” (fr:3045). Per esempio, nello stronzio si rileva che “è la media del calcio e del bario” (fr:3003), e tra cloro, bromo e iodio, “in questo gruppo, il bromo è la media tra cloro e iodio” (fr:3019).

Successivamente, la trattazione si sofferma sull’evoluzione di queste osservazioni in una legge più generale. Newlands dispone gli elementi in ordine di peso atomico e assegna loro un numero progressivo, osservando che “elementi aventi numeri consecutivi frequentemente o appartengono allo stesso gruppo o occupano posizioni simili in gruppi differenti” (fr:3110). Scopre che “la differenza tra il numero del membro più basso di un gruppo e quello immediatamente superiore è 7; in altre parole, l’ottavo elemento a partire da uno dato è una sorta di ripetizione del primo, come l’ottava nota di un’ottava in musica” (fr:3110). A questa regolarità provvisoriamente dà il nome di “Legge delle Ottave” (fr:3124).

La reazione della comunità scientifica a questa proposta viene riferita. Durante una lettura alla Chemical Society, obiezioni vengono sollevate sul fatto che “era stato presupposto che non restassero elementi da scoprire” (fr:3139) e che la scoperta di nuovi elementi avrebbe sconvolto il sistema. Il Prof. Foster chiese sarcasticamente “se avesse mai esaminato gli elementi in base all’ordine delle loro lettere iniziali” (fr:3141), criticando un sistema che allontanava elementi chimicamente simili. Newlands replicò di aver provato altri schemi e che “nessuna relazione poteva essere ricavata dai pesi atomici con qualsiasi altro sistema se non quello di Cannizzaro” (fr:3144).

Nel riassunto si includono anche note esplicative che forniscono contesto storico. Si specifica che il lavoro “rappresenta un passo interessante verso la scoperta di una classificazione periodica degli elementi” (fr:3151) e si segnalano sia previsioni corrette, come quella di un elemento con peso atomico 73 (il germanio) (fr:3231), sia errori, come l’inclusione del tallio tra i metalli alcalini (fr:3164) o previsioni di elementi intermedi inesistenti (fr:3197). Si conclude notando che, nonostante le imperfezioni, la tabella di Newlands “enuncia chiaramente il principio della periodicità” (fr:3265).

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[15.1-68-3359|3426]

15 Commenti sulla tavola periodica di Mendeleev del 1869

Predizioni, correzioni e note storiche sulla prima classificazione periodica

Si presentano una serie di annotazioni relative alla prima tavola periodica di Mendeleev. Si discute la previsione di nuovi elementi, come analoghi del silicio e dell’alluminio “One can predict the discovery of many new elements, for example analogues of Si and Al with atomic weights of 65-75.” - (fr:3359) [Si può predire la scoperta di molti elementi nuovi, per esempio analoghi del Si e dell’Al con pesi atomici di 65-75.] e la necessità di rettificare alcuni pesi atomici “A few atomic weights will probably require correction; for example Te cannot have the atomic weight 128, but rather 123-126.” - (fr:3361) [Alcuni pesi atomici probabilmente richiederanno correzione; ad esempio il Te non può avere peso atomico 128, ma piuttosto 123-126.]. Dalla tabella emergono nuove analogie “From the above table, some new analogies between elements are revealed.” - (fr:3363) [Dalla tabella sopra, vengono rivelate alcune nuove analogie tra elementi.]. Viene menzionato il principio di periodicità, inizialmente tradotto come “variazione graduale”, e la disputa sulla priorità con Lothar Meyer “The principle of periodicity–repetition of chemical properties in a series of elements arranged by atomic weight–is apparent in the table, but this first sentence does not make it so clear.” - (fr:3366) [Il principio di periodicità – ripetizione delle proprietà chimiche in una serie di elementi disposti per peso atomico – è evidente nella tabella, ma questa prima frase non lo rende così chiaro.] e “The fact that Lothar Meyer soon afterwards pointed out that the variation displayed was actually periodic was an important element in the priority dispute between Mendeleev and Meyer.” - (fr:3368) [Il fatto che Lothar Meyer poco dopo sottolineò che la variazione mostrata era in realtà periodica fu un elemento importante nella disputa sulla priorità tra Mendeleev e Meyer.]. La tabella contiene previsioni implicite di elementi sconosciuti “This table contains several implicit predictions of unknown elements.” - (fr:3372) [Questa tabella contiene diverse previsioni implicite di elementi sconosciuti.], alcune confermate successivamente, come per gallio e germanio “The prediction of an unknown analogue of aluminum was borne out by the discovery in 1875 of gallium (atomic weight = 70)” - (fr:3387) [La previsione di un analogo sconosciuto dell’alluminio fu confermata dalla scoperta nel 1875 del gallio (peso atomico = 70)] e “The prediction of an unknown analogue of silicon was borne out by the discovery in 1886 of germanium (atomic weight = 73).” - (fr:3392) [La previsione di un analogo sconosciuto del silicio fu confermata dalla scoperta nel 1886 del germanio (peso atomico = 73).]. Sono segnalati errori di posizionamento, ad esempio del rodio “Rhodium (Rh) is misplaced. It belongs between ruthenium (Ru) and palladium (Pd).” - (fr:3376-3377) [Il rodio (Rh) è fuori posto. Appartiene tra il rutenio (Ru) e il palladio (Pd).] e dell’uranio “Uranium (standard symbol U) is misplaced. Its atomic weight is actually more than double the value given here.” - (fr:3388-3389) [L’uranio (simbolo standard U) è fuori posto. Il suo peso atomico è in realtà più del doppio del valore qui indicato.]. Si evidenzia la difficoltà di classificazione degli elementi delle terre rare, poco caratterizzati all’epoca “The elements placed in the last four rows of the table puzzled Mendeleev, as is apparent from the glut of question marks and the fact that several are out of order according to their assigned atomic weights.” - (fr:3401) [Gli elementi posti nelle ultime quattro righe della tabella lasciarono perplesso Mendeleev, come è evidente dall’abbondanza di punti interrogativi e dal fatto che molti sono fuori ordine secondo i pesi atomici assegnati.] e “Many of these elements were rare and poorly characterized at the time.” - (fr:3402) [Molti di questi elementi erano rari e poco caratterizzati all’epoca.]. Si accenna infine al concetto di valenza “The valence of an element is essentially the number of bonds that element can make when it forms compounds with other elements.” - (fr:3420) [La valenza di un elemento è essenzialmente il numero di legami che quell’elemento può formare quando si combina con altri elementi.] e ai gruppi di elementi simili con pesi atomici consecutivi “Groups of similar elements with consecutive atomic weights are a little-emphasized part of classification systems from Mendeleev’s time and before to the present.” - (fr:3415) [Gruppi di elementi simili con pesi atomici consecutivi sono una parte poco enfatizzata dei sistemi di classificazione dal tempo di Mendeleev e prima fino al presente.].

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[16.1-81-3549|3629]

16 La legge periodica degli elementi chimici

Discussione sui limiti delle rappresentazioni matematiche, la relazione con la teoria dei numeri e il rifiuto dell’idea di materia primaria

Si discute della natura discontinua della legge periodica, che non segue un’evoluzione continua ma procede per “cambi improvvisi privi di passaggi intermedi” “In these sudden changes destitute of intermediate steps or positions… we must recognise a problem to which no direct application of the analysis of the infinitely small can be made.” - (fr:3550) [In questi cambi improvvisi privi di passi o posizioni intermedi, nell’assenza di elementi intermedi tra, diciamo, l’argento e il cadmio, o l’alluminio e il silicio, dobbiamo riconoscere un problema al quale non può essere fatta alcuna applicazione diretta dell’analisi dell’infinitamente piccolo.]. Si presenta quindi l’inadeguatezza delle funzioni matematiche proposte per rappresentare la legge “Therefore, neither the trigonometrical functions proposed by Ridberg and Flavitzky… can represent the periods of the chemical elements.” - (fr:3551, 3552) [Pertanto, né le funzioni trigonometriche proposte da Rydberg e Flavitzky, né le oscillazioni pendolari suggerite da Crookes, né le curve cubiche del Rev. Mr. Haughton, che sono state proposte per esprimere la legge periodica, per la natura del caso, possono rappresentare i periodi degli elementi chimici.] e la necessità di una geometria modificata per includere sia periodi lunghi che corti “It must find the means of representing in a special way not only such long periods… but short periods like the following…” - (fr:3554) [Deve trovare il modo di rappresentare in un modo speciale non solo periodi lunghi come quello che comprende… ma periodi brevi come il seguente…]. Si osserva un’analogia con la teoria dei numeri “In the theory of numbers only do we find problems analogous to ours” - (fr:3555) [Nella teoria dei numeri solo troviamo problemi analoghi ai nostri] e si citano due tentativi algebrici: la formula logaritmica di Mills “He considers that all atomic weights can be expressed by a logarithmic function, 15(n - 9375^(t)), in which the variables n and t are whole numbers.” - (fr:3558) [Egli considera che tutti i pesi atomici possono essere espressi da una funzione logaritmica, 15(n - 9375^(t)), in cui le variabili n e t sono numeri interi.] e la formula di Tchitchérin per i volumi atomici dei metalli alcalini “Tchitchérin first noticed the simple relations existing between the atomic volumes of all alkaline metals; they can be expressed… by the formula A(2 - 00535_An_)” - (fr:3562) [Tchitchérin notò per primo le semplici relazioni esistenti tra i volumi atomici di tutti i metalli alcalini; essi possono essere espressi, secondo le sue vedute, dalla formula A(2 - 00535_An_)].

La legge periodica collega la teoria degli elementi con la legge delle proporzioni multiple di Dalton “While connecting by new bonds the theory of the chemical elements with Dalton’s theory of multiple proportions… the periodic law opened for natural philosophy a new and wide field for speculation.” - (fr:3566) [Mentre collega con nuovi legami la teoria degli elementi chimici con la teoria delle proporzioni multiple di Dalton, o struttura atomica dei corpi, la legge periodica ha aperto per la filosofia naturale un nuovo e vasto campo per la speculazione.]. Questo porta a un’indagine filosofica sulla natura degli elementi, che viene posta accanto alla legge morale e al cielo stellato come oggetto di ammirazione “Kant said that there are in the world ‘two things which never cease to call for the admiration and reverence of man…’ But when we turn our thoughts towards the nature of the elements and the periodic law, we must add a third subject, namely, ‘the nature of the elementary individuals which we discover everywhere around us.’” - (fr:3567, 3568) [Kant disse che ci sono nel mondo “due cose che non cessano mai di chiamare all’ammirazione e alla riverenza dell’uomo: la legge morale dentro di noi e il cielo stellato sopra di noi.” Ma quando volgiamo i nostri pensieri verso la natura degli elementi e la legge periodica, dobbiamo aggiungere un terzo soggetto, cioè “la natura degli individui elementari che scopriamo ovunque intorno a noi.”].

La legge, insieme all’analisi spettrale, ha ravvivato l’antica speranza di scoprire una materia primaria “Having thus indicated a new mystery of Nature… the periodic law, together with the revelations of spectrum analysis, have contributed to again revive an old but remarkably long-lived hope–that of discovering… the primary matter” - (fr:3570) [Avendo così indicato un nuovo mistero della Natura… la legge periodica, insieme alle rivelazioni dell’analisi spettrale, ha contribuito a ravvivare di nuovo un’antica ma notevolmente longeva speranza – quella di scoprire… la materia primaria]. Tuttavia, si confuta l’idea che l’elio o le osservazioni spettrali di Lockyer provino questa teoria “From all sides we see attempts to constitute the imaginary substance helium the so much longed for primary matter.” - (fr:3576) [Da tutte le parti vediamo tentativi di costituire l’immaginaria sostanza elio la tanto agognata materia primaria.] e “the observations of Lockyer can be considered precisely as a proof that iron undergoes no other changes at the temperature of the sun but those which it experiences in the voltaic arc” - (fr:3580) [le osservazioni di Lockyer possono essere considerate precisamente come una prova che il ferro non subisce altri cambiamenti alla temperatura del sole se non quelli che sperimenta nell’arco voltaico]. Si afferma esplicitamente che la legge periodica non origina dall’idea di un’unica materia “the periodic law… has been evolved independently of any conception as to the nature of the elements; it does not in the least originate in the idea of an unique matter” - (fr:3584) [la legge periodica… è stata sviluppata indipendentemente da qualsiasi concezione sulla natura degli elementi; non origina in alcun modo dall’idea di una materia unica]. La scienza ammette un’unità di materia, forza e piano, ma deve anche spiegare l’individualità e la diversità “But while we admit unity in many things, we none the less must also explain the individuality and the apparent diversity which we cannot fail to trace everywhere.” - (fr:3590) [Ma mentre ammettiamo l’unità in molte cose, non di meno dobbiamo anche spiegare l’individualità e l’apparente diversità che non possiamo fare a meno di rintracciare ovunque.]. L’individualizzato, come gli elementi chimici, è caratterizzato da salti e assenza di collegamenti intermedi “we see in it… leaps, breaks of continuity, points which escape from the analysis of the infinitely small–a complete absence of intermediate links.” - (fr:3596) [vediamo in esso… salti, rotture di continuità, punti che sfuggono all’analisi dell’infinitamente piccolo – una completa assenza di collegamenti intermedi.].

Viene poi trattato un parallelo tra la periodicità degli elementi e quella dei radicali idrocarburici, notando una differenza fondamentale nella variazione di massa “in the periods of the hydrocarbon radicles we have a decrease of mass as we pass from the representatives of the first group to the next; while in the periods of the elements the mass increases during the progression.” - (fr:3609) [nei periodi dei radicali idrocarburici abbiamo una diminuzione di massa passando dai rappresentanti del primo gruppo al successivo; mentre nei periodi degli elementi la massa aumenta durante la progressione.]. Si conclude che la teoria della materia primaria e della natura composta degli elementi è un’utopia “it is evident, in my opinion, that this theory must be classed amongst mere utopias.” - (fr:3611) [è evidente, a mio parere, che questa teoria deve essere classificata tra le semplici utopie.], che può essere combattuta solo con la libertà di opinione, l’esperimento e nuove utopie. Viene citata un’utopia speculativa di uno studente sul peso atomico determinato dal moto “The atoms, according to this new utopian, may all be homogeneous or heterogeneous, we know not which; we know them in motion only… The weights of atoms differ only in consequence of their various modes and quantity of motion” - (fr:3617, 3618) [Gli atomi, secondo questo nuovo utopista, possono essere tutti omogenei o eterogenei, non sappiamo quale; li conosciamo solo in movimento… I pesi degli atomi differiscono solo in conseguenza dei loro vari modi e quantità di moto].

In chiusura, si riflette sul fatto che la legge periodica è uno strumento recente per ampliare la visione scientifica, come lo furono la legge di gravità e il concetto di elemento “The periodic law of the elements is only 20 years old: it is not surprising therefore that… we do not comprehend the rationale of the periodic law.” - (fr:3624) [La legge periodica degli elementi ha solo 20 anni: non è sorprendente quindi che… non comprendiamo il fondamento razionale della legge periodica.] e “Like the telescope and the microscope, laws founded on the basis of experiment are the instruments and means of enlarging our mental horizon.” - (fr:3626) [Come il telescopio e il microscopio, leggi fondate sulla base dell’esperimento sono gli strumenti e i mezzi per ampliare il nostro orizzonte mentale.]. La legge ha permesso di prevedere nuovi elementi “The law of periodicity first enabled us to perceive undiscovered elements at a distance which formerly was inaccessible to chemical vision; and long ere they were discovered new elements appeared before our eyes possessed of a number of well-defined properties.” - (fr:3629) [La legge di periodicità per prima ci ha permesso di percepire elementi non scoperti a una distanza che prima era inaccessibile alla visione chimica; e molto prima che fossero scoperti, nuovi elementi apparivano davanti ai nostri occhi dotati di una serie di proprietà ben definite.].

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[17.1-26-3633|3658]

17 La legge periodica come strumento di verifica dei pesi atomici

Conferme e revisioni dei pesi atomici alla luce della sistematica periodica

Si presenta la legge periodica come strumento che, pur bisognosa di ulteriori miglioramenti per essere pienamente affidabile, ha permesso nuovi discernimenti sulla natura degli elementi semplici e degli ossidi “although greatly enlarging our vision, even now the periodic law needs further improvements” - (fr:3633) [Sebbene abbia notevolmente ampliato la nostra visione, ancora oggi la legge periodica necessita di ulteriori miglioramenti]. Prima della sua formulazione, i pesi atomici erano numeri puramente empirici e si procedeva al buio “we were compelled to move in the dark, to submit to the facts, instead of being masters of them” - (fr:3635).

La legge permise di padroneggiare i fatti relativi ai pesi atomici, imponendo modifiche. Confermò, ad esempio, la trivalenza dell’ittrio e previde difficoltà riguardo al didimio “The trivalency of yttrium … was foreseen (in 1870) by the periodic law” - (fr:3638) e “we meet with a series of difficulties long since foreseen through the periodic law” - (fr:3639). Un caso cruciale fu quello del berillio: la legge, insistendo per la formula BeO contro l’opinione prevalente di Be₂O₃, richiedeva un peso atomico di 9 “it required the magnesium formula BeO, that is, an atomic weight of 9” - (fr:3642). La controversia si risolse a favore della legge, confermata dalla densità di vapore del cloruro di berillio “the density of the vapour of the beryllium chloride, BeCl₂, obliges us to regard beryllium as bivalent in conformity with the periodic law” - (fr:3646). Analogamente, la legge trovò conferma nello scandio e nel torio quadrivalente “thorium proved to be quadrivalent, and Th = 232, in accordance with … the requirements of the periodic law” - (fr:3648), e impose la modifica del peso atomico dell’uranio da 120 a 240 “The alteration of the atomic weight of uranium from U = 120 into U = 240 attracted more attention, the change having been made on account of the periodic law” - (fr:3649).

Oltre a guidare modifiche per elementi poco noti, la legge periodica consentì di individuare errori in elementi già ben conosciuti “enabled us also to detect errors in the determination of the atomic weights of several elements whose valencies and true position … were already well known” - (fr:3651). Casi notevoli furono il tellurio, per cui la legge richiedeva un peso atomico inferiore a quello dello iodio, successivamente confermato “the true atomic weight of tellurium is lower than that of iodine” - (fr:3654), il titanio (Ti = 48) e la serie osmio, iridio, platino e oro. Per quest’ultima, le vecchie determinazioni furono corrette: il peso del platino risultò vicino a 196, quello dell’osmio vicino a 191 e inferiore al platino, e quello dell’oro superiore al platino e vicino a 197 “the atomic weight of osmium is really lower than that of platinum … the atomic weight of gold exceeds that of platinum” - (fr:3658).

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[18.1-24-3784|3807]

18 Contropredizioni, periodicità e gli elementi chimici

Predizioni rischiose, funzioni matematiche e la legge di Mendeleev

Si discute del peso delle contropredizioni nella valutazione delle teorie scientifiche, per cui una nuova teoria che prevede fenomeni trascurati da altre appare meritevole di adozione se le sue previsioni sono confermate “Indeed, a new theory which sees phenomena that other theories either fail to see or see incorrectly appears deserving of adoption if its predictions are borne out; otherwise, it would quickly be discarded.” - (fr:3785) [Infatti, una nuova teoria che vede fenomeni che altre teorie non vedono o vedono in modo errato appare meritevole di adozione se le sue previsioni sono confermate; altrimenti, sarebbe rapidamente scartata.]. Viene presentato il concetto matematico di funzione periodica, con esempi trigonometrici e fisici, come l’altezza dell’acqua in uno stagno “the height of the surface of water in a pond after a stone was thrown into it varies periodically in both time and space” - (fr:3789) [l’altezza della superficie dell’acqua in uno stagno dopo che un sasso è stato gettato varia periodicamente sia nel tempo che nello spazio]. Si afferma che Mendeleev ha dichiarato che le proprietà degli elementi chimici sono una funzione periodica della loro massa “Mendeleev states that there is a repetition of properties of the chemical elements when those elements are arranged by mass–that those properties are a periodic function of mass.” - (fr:3792) [Mendeleev afferma che c’è una ripetizione delle proprietà degli elementi chimici quando questi elementi sono disposti per massa - che quelle proprietà sono una funzione periodica della massa.]. Tuttavia, si precisa che queste proprietà dipendono in realtà dal numero atomico, e non dalla massa “As it turns out, the properties which seem to be periodic functions of the mass of atoms do not actually depend on their mass, but on something else to which the mass is closely related. That something else is called the atomic number” - (fr:3794, 3795) [A quanto pare, le proprietà che sembrano essere funzioni periodiche della massa degli atomi in realtà non dipendono dalla loro massa, ma da qualcos’altro a cui la massa è strettamente correlata. Quel qualcos’altro è chiamato numero atomico.]. Viene inoltre esaminata l’etimologia delle parole “individuo” e “atomo”, entrambe collegate al concetto di indivisibilità, notando che l’uso tende a enfatizzare l’irriducibilità per gli atomi e le caratteristiche speciali per gli individui “Usage of atom (even in contexts outside science) tends to focus on irreducibility of atoms, while usage of individual emphasizes the special characteristics of individuals.” - (fr:3800) [L’uso di atomo (anche in contesti esterni alla scienza) tende a focalizzarsi sull’irriducibilità degli atomi, mentre l’uso di individuale enfatizza le caratteristiche speciali degli individui.]. Infine, si affronta la distinzione tra funzioni periodiche continue in matematica e la natura discreta delle proprietà degli elementi, osservando che la distinzione di Mendeleev tra funzioni continue e discrete non sembra molto utile “Mendeleev’s pointed distinction between continuous and discrete functions is not appear to be very useful.” - (fr:3805) [La netta distinzione di Mendeleev tra funzioni continue e discrete non sembra molto utile.].

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[19.1-61-4232|4292]

19 L’indagine di Rayleigh sulla densità dell’azoto

Confronto tra metodi chimici per l’isolamento dell’azoto e analisi di una piccola discrepanza

Si presenta la metodologia per la purificazione dei campioni di gas, in cui l’ammoniaca residua viene neutralizzata da un acido “Any left-over ammonia is ‘absorbed’ (neutralized) by acid, which removes it from the gas sample” - (fr:4232) e il vapore acqueo viene rimosso tramite agenti essiccanti “Water vapor (H₂O) is removed from the gas by letting it pass over solids which absorb it (‘ordinary desiccating agents’) such as calcium chloride or silica gel” - (fr:4233). Si discute il lavoro di Rayleigh, che confrontò un nuovo metodo per rimuovere l’ossigeno (di Harcourt) con uno tradizionale basato sul rame “O₂ + 2 Cu –> 2 CuO” - (fr:4241), per verificarne l’efficacia “by using Harcourt’s method and comparing it to an older method, he was trying out a new tool or method for removing oxygen from a mixture of gases” - (fr:4237).

Ci si sofferma su una piccola discrepanza (0.1%) riscontrata tra i risultati dei due metodi “Note how small the discrepancy was” - (fr:4243) e si osserva che tale differenza diventa significativa quando la precisione degli strumenti è maggiore “When the methods used in the experiment are capable of measuring to greater precision than the difference” - (fr:4247). Rayleigh avviò quindi un’indagine per trovarne la causa “Rayleigh is now trying to find an explanation of the difference” - (fr:4252), formulando ipotesi verificabili, come la possibile presenza di ossigeno residuo nel nuovo metodo “For example, maybe Harcourt’s method did not remove all the oxygen” - (fr:4259). Si trattò di un’operazione di “troubleshooting” che richiese un approccio simile al metodo scientifico su piccola scala “Troubleshooting (for that is what the pursuit of anomalies in a new experimental method amounts to) generally calls for an approach much like the traditional version of the scientific method on a small scale” - (fr:4257).

La discussione si estende al contesto della comunicazione scientifica, notando che il resoconto di Rayleigh, essendo una conferenza pubblica, include elementi come perplessità e ricerca di consiglio tra colleghi chimisti “Rayleigh was a physicist. The methods he had used involved chemical reactions, and he sought the advice of chemists” - (fr:4267-4268), generalmente assenti dagli articoli formali. Viene illustrato il meccanismo chimico del metodo dell’ammoniaca e l’ipotesi che l’azoto da esso prodotto potesse essere diverso da quello atmosferico “Rayleigh wondered whether the nitrogen produced from the chemical reaction might be different from the nitrogen of the atmosphere” - (fr:4278). Si conclude descrivendo la strategia di Rayleigh di amplificare la discrepanza studiando le differenze tra i metodi “A logical place to begin is in looking for differences between the two methods, and to try to exaggerate those differences” - (fr:4287), confermando poi attraverso numerosi esperimenti che tutti i metodi chimici producevano lo stesso azoto puro “The fact that all the ‘chemical nitrogen’ measurements agree is good evidence that all the methods produce the same thing, namely pure N₂” - (fr:4290).

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[20.1-49-4295|4343]

20 Esperimenti sulla densità dell’azoto e ipotesi di impurità

Metodi di preparazione, confronti di densità e test su ipotetici atomi liberi di azoto.

Si presentano i metodi di preparazione dell’azoto “chimico” partendo da diversi composti: solfato ferroso e calce spenta (“The method labeled ferrous hydrate was done at room temperature, and involved bubbling air through a solution of ferrous sulfate (FeSO₄) and calcium hydroxide (Ca(OH)₂)” - (fr:4295)), oppure dagli ossidi di azoto, nitrito di ammonio e urea (“The entries labeled chemical nitrogen were prepared not from atmospheric air, but from different nitrogen-containing substances” - (fr:4296)). Si descrivono le reazioni chimiche coinvolte, dove l’azoto viene ridotto o ossidato a N₂ (“Chemists would say that the nitrogen in these compounds was reduced to N₂” - (fr:4298); “Here the nitrogen in urea is oxidized to N₂” - (fr:4300)).

I dati evidenziano una differenza reale, seppur piccola, tra l’azoto atmosferico e quello chimico (“The graph illustrates even more obviously than the numbers the real–albeit small–difference between ‘atmospheric nitrogen’ and ‘chemical nitrogen’” - (fr:4305)). Viene sottolineata l’importanza di controllare le impurità negli esperimenti, con particolare attenzione all’idrogeno per la sua bassa densità (“Here Rayleigh is particularly concerned about hydrogen, the lightest of the gases, with a density ¹/₁₄ that of nitrogen” - (fr:4309)).

Si discute l’ipotesi della presenza di atomi liberi di azoto (N) nel campione chimico, ritenuta improbabile per l’alta reattività di tali atomi (“free N atoms are very reactive” - (fr:4310)). Rayleigh testa questa possibilità confrontando il peso di un campione dopo otto mesi, senza rilevare differenze (“there was no detectable difference in weight after eight months, suggesting that there were no free N atoms even at first” - (fr:4315)). Un ulteriore tentativo di scindere la molecola N₂ con una scarica elettrica non produce variazioni di densità misurabili (“He was unable to detect any differences in weight before and after the sparking” - (fr:4320)).

Ci si riferisce infine al lavoro di Henry Cavendish sui gas nel XVIII secolo, che riconobbe l’idrogeno come sostanza distinta e stabilì il rapporto costante tra azoto e ossigeno nell’aria (“He was the first to recognize hydrogen (‘inflammable air’ as he called it) as a distinct substance” - (fr:4326); “He also found that the ratio of nitrogen to oxygen in air is the same near the surface of the earth as it is higher in the atmosphere” - (fr:4327)). Viene descritto il suo apparato, dove una scarica elettrica in presenza di potassa faceva reagire l’azoto con l’ossigeno, producendo ossidi che venivano assorbiti (“With the help of the sparks, the nitrogen in the tube reacts with the oxygen, producing corrosive gases such as NO and NO₂… Potash reacts with these nitrogen oxides and thereby removes them from the gas (‘absorbs’ them)” - (fr:4339, fr:4340)).

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[21.1-42-4465|4506]

21 La scoperta e le proprietà dell’argon

Isolamento e caratterizzazione di un nuovo gas atmosferico

Si presenta il funzionamento di un radiometro, in cui la luce converte in energia meccanica facendo ruotare le palette: le facce nere assorbono più luce, riscaldando di più il gas a contatto e provocando la rotazione “away from the black sides (toward the white sides)” - (fr:4467) [lontano dai lati neri (verso i lati bianchi)]. Questo dimostra una conversione dell’energia luminosa “into mechanical energy (namely the rotational energy of the vanes)” - (fr:4468) [in energia meccanica (cioè l’energia rotazionale delle palette)].

Si discute poi delle proprietà dell’argon, riportate da Rayleigh. Il gas si comporta come gli altri nel radiometro “works the same way is it does with other gases” - (fr:4469) [funziona allo stesso modo in cui funziona con altri gas]. Dalla sua densità, 9 volte quella dell’idrogeno, si calcola un “molecular weight” of 1“ - (fr:4472) [“peso molecolare” di 1].

Ci si sofferma sul concetto di calore specifico e sul rapporto tra le capacità termiche a pressione e volume costanti. Per i gas monoatomici, come l’argon, il rapporto teorico massimo è 5/3, mentre per i gas biatomici è circa 4 e per quelli poliatomici circa 3. La ragione di questa differenza sta nei modi di moto disponibili: per una molecola biatomica, l’energia può andare in “translational motion”, “vibration”, o “rotation” - (fr:4480) [moto traslazionale, vibrazione, o rotazione], mentre per un gas monoatomico “the only kind of motion available … is translational motion” - (fr:4482) [l’unico tipo di moto disponibile … è il moto traslazionale].

I risultati sull’argon erano nuovi e inattesi, poiché “there were no substances known which were monatomic gases at ordinary temperatures and pressures” - (fr:4488) [non erano note sostanze che fossero gas monoatomici a temperature e pressioni ordinarie]. Inoltre, un gas monoatomico con peso 40 non trovava posto “no place for it in the periodic table” - (fr:4490) [nessun posto per esso nella tavola periodica]. Il gas si distingue anche per la sua inerzia chimica.

Si tratta infine delle prove della sua presenza nell’atmosfera. Rayleigh utilizza la tecnica degli esperimenti di controllo, processando azoto di origine non atmosferica, per dimostrare che l’argon “is not formed by processing nitrogen of non-atmospheric origin … in the same way” - (fr:4502) [non si forma processando azoto di origine non atmosferica… nello stesso modo]. La conclusione è che si tratta di un componente atmosferico, la cui natura di elemento o composto rimane una questione aperta: “Is argon an element, or is it a previously unknown compound of other elements?” - (fr:4506) [L’argon è un elemento, o è un composto precedentemente sconosciuto di altri elementi?].

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[22.1-124-4953|5076]

22 La scoperta dell’elettrone e le sue proprietà

Indagine sperimentale sui raggi catodici e identificazione del corpuscolo come particella fondamentale

Si presenta un resoconto di indagini che hanno portato a concludere che i portatori di elettricità negativa sono corpuscoli, di massa molto minore di quella di un atomo di qualsiasi elemento noto e della stessa natura, indipendentemente dalla loro sorgente “In this lecture I wish to give an account of some investigations which have led to the conclusion that the carriers of negative electricity are bodies, which I have called corpuscles[1], having a mass very much smaller than that of the atom of any known element, and are of the same character from whatever source the negative electricity may be derived.” - (fr:4953) [In questa lezione desidero fornire un resoconto di alcune indagini che hanno portato alla conclusione che i portatori di elettricità negativa sono corpi, che ho chiamato corpuscoli, aventi una massa molto più piccola di quella dell’atomo di qualsiasi elemento noto, e sono della stessa natura, indipendentemente dalla fonte da cui l’elettricità negativa può derivare.]. I corpuscoli furono rilevati per la prima volta in un tubo altamente esaurito percorso da una scarica elettrica “The first place in which corpuscles were detected was a highly exhausted tube[3] through which an electric discharge was passing.” - (fr:4954) [Il primo luogo in cui furono rilevati i corpuscoli fu un tubo altamente esaurito attraverso il quale passava una scarica elettrica.]. Un esperimento con una croce di Malta in mica dimostrò che la fosforescenza verde sul tubo era dovuta a qualcosa che procede in linee rette dal catodo, gettando un’ombra “the green phosphorescence is due to something travelling from the cathode in straight lines, which is stopped by a thin plate of mica.” - (fr:4958) [la fosforescenza verde è dovuta a qualcosa che viaggia dal catodo in linee rette, che viene fermato da una sottile lamina di mica.]. Sulla natura di questi raggi catodici esisteva una controversia: se fossero particelle cariche negativamente o vibrazioni eteree “Two views were prevalent: one… was that the rays are negatively electrified bodies… the other view… was that the rays are some kind of ethereal vibration or waves.” - (fr:4960) [Due opinioni erano prevalenti: una… era che i raggi siano corpi elettrizzati negativamente… l’altra opinione… era che i raggi siano una sorta di vibrazione o onde eteree.]. L’argomento a favore delle particelle cariche era la loro deflessione da parte di un magnete, come ci si aspetterebbe per particelle cariche in movimento “they are deflected by a magnet in just the same way as moving, negatively electrified particles.” - (fr:4961) [essi sono deflessi da un magnete esattamente nello stesso modo in cui lo sarebbero particelle cariche negativamente in movimento.]. Successivamente, fu dimostrata anche la deflessione elettrica, indicando una carica negativa sui raggi “I was able to get rid of this effect and to obtain the electric deflection of the cathode rays. This deflection had a direction which indicated a negative charge on the rays.” - (fr:4971,4972) [Sono riuscito a eliminare questo effetto e a ottenere la deflessione elettrica dei raggi catodici. Questa deflessione aveva una direzione che indicava una carica negativa sui raggi.]. Hertz trovò che i raggi catodici potevano penetrare lamine metalliche sottili, una proprietà sorprendente per particelle di materia “he found that they were able to penetrate very thin sheets of metal… and produce appreciable luminosity on glass behind them.” - (fr:4974) [egli trovò che essi erano in grado di penetrare lamine metalliche molto sottili… e produrre una luminosità apprezzabile sul vetro dietro di esse.]. Per investigare più da vicino la loro natura, si misurò la velocità (v) delle particelle bilanciando i campi elettrico e magnetico “we have Hev = Xe or v = X/H. Thus if we measure… the values of X and H when the rays are not deflected, we can determine the value of v, the velocity of the particles.” - (fr:4979,4980) [abbiamo Hev = Xe oppure v = X/H. Quindi se misuriamo… i valori di X e H quando i raggi non sono deflessi, possiamo determinare il valore di v, la velocità delle particelle.]. Questa velocità risultò essere molto alta, fino a un terzo di quella della luce “In a very highly exhausted tube this may be ¹/₃ the velocity of light, or about 60,000 miles per second” - (fr:4981) [In un tubo molto altamente esaurito questa può essere ¹/₃ della velocità della luce, o circa 000 miglia al secondo]. Si passò quindi a determinare il rapporto e/m (carica/massa). Il valore di e/m risultò costante, indipendentemente dalla velocità, dal materiale degli elettrodi o dal gas nel tubo “however the cathode rays are produced, we always get the same value of e/m for all the particles in the rays… it is independent of the kind of electrodes we use and also of the kind of gas in the tube.” - (fr:4990,4993) [comunque siano prodotti i raggi catodici, otteniamo sempre lo stesso valore di e/m per tutte le particelle nei raggi… esso è indipendente dal tipo di elettrodi che usiamo e anche dal tipo di gas nel tubo.]. Confrontando questo valore con quello dell’atomo di idrogeno carico (ione), si trovò che e/m per il corpuscolo era 1700 volte maggiore “for the corpuscle in the cathode rays the value of e/m is 1,700 times the value for the corresponding quantity for the charged hydrogen atom.” - (fr:4997) [per il corpuscolo nei raggi catodici il valore di e/m è 700 volte il valore della corrispondente quantità per l’atomo di idrogeno carico.]. La conclusione fu che questa discrepanza era dovuta alla massa molto piccola del corpuscolo, una volta accertato che la sua carica (e) era uguale a quella dell’ione idrogeno “we are driven to the conclusion that the mass of the corpuscle is only about 1/1,700 of that of the hydrogen atom.” - (fr:4999) [siamo condotti alla conclusione che la massa del corpuscolo è solo circa 1/1.700 di quella dell’atomo di idrogeno.]. Ciò implicava che l’atomo non fosse il limite ultimo della suddivisione della materia “Thus the atom is not the ultimate limit to the subdivision of matter; we may go further and get to the corpuscle” - (fr:5000) [Quindi l’atomo non è il limite ultimo della suddivisione della materia; possiamo andare oltre e arrivare al corpuscolo]. I corpuscoli si rivelarono ampiamente diffusi, emessi da metalli riscaldati, da sostanze esposte alla luce e da materiali radioattivi, preservando sempre la stessa individualità “The corpuscle is thus very widely distributed, but wherever it is found, it preserves its individuality, e/m being always equal to a certain constant value.” - (fr:5008) [Il corpuscolo è quindi molto ampiamente distribuito, ma ovunque sia trovato, preserva la sua individualità, e/m essendo sempre uguale a un certo valore costante.], e si ipotizzò che fossero un costituente fondamentale degli atomi “The corpuscle appears to form a part of all kinds of matter under the most diverse conditions; it seems natural therefore to regard it as one of the bricks of which atoms are built up.” - (fr:5009) [Il corpuscolo sembra formare una parte di tutti i tipi di materia nelle condizioni più diverse; sembra quindi naturale considerarlo come uno dei mattoni di cui gli atomi sono costruiti.]. La misura diretta della carica e fu effettuata utilizzando il metodo della condensazione del vapore acqueo su particelle cariche, ideato da C.T.R. Wilson “a charged particle acts as a nucleus round which water vapour condenses and forms drops of water.” - (fr:5011) [una particella carica agisce come un nucleo attorno al quale il vapore acqueo condensa e forma gocce d’acqua.]. Misurando la dimensione delle gocce e il numero di particelle, si determinò la carica per particella “we can deduce at once the charge on each particle.” - (fr:5041) [possiamo dedurre immediatamente la carica su ciascuna particella.]. Il valore trovato fu 1x10⁻¹⁰ unità elettrostatiche, uguale alla carica dell’ione idrogeno “This value is the same as that of the charge carried by a hydrogen atom in the electrolysis of dilute solutions” - (fr:5050) [Questo valore è lo stesso di quello della carica trasportata da un atomo di idrogeno nell’elettrolisi di soluzioni diluite]. Combinando questo valore con il rapporto e/m noto, si calcolò la massa del corpuscolo: m = 6x10⁻²⁸ grammi “e/m, m being the mass of a corpuscle, is equal to 7x10⁷, hence m = 6x10⁻²⁸ grammes.” - (fr:5057) [e/m, dove m è la massa di un corpuscolo, è uguale a 7x10⁷, quindi m = 6x10⁻²⁸ grammi]. Confrontando con la massa dell’atomo di idrogeno (M), si confermò che M = 1,700 m, ovvero la massa del corpuscolo è 1/1700 di quella dell’atomo di idrogeno “the mass of a corpuscle is only about 1/1,700 part of the mass of the hydrogen atom.” - (fr:5063) [la massa di un corpuscolo è solo circa 1/1.700 parte della massa dell’atomo di idrogeno]. Si conclude che l’elettricità negativa nei gas a bassa pressione si presenta sempre nella forma di questi corpuscoli, a differenza di quella positiva.

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[23.1-92-5105|5196]

23 La scoperta dell’elettrone e le proprietà dei raggi catodici

Evidenze sperimentali e dibattito sulla natura delle particelle

Si presenta la linea argomentativa di J.J. Thomson a supporto dell’ipotesi che i raggi catodici siano particelle cariche. La prima prova è che questi raggi si comportano come cariche negative in movimento quando esposti a un campo magnetico “cathode rays exposed to a magnetic field act just like negative electric charges in motion would act” - (fr:5116). La seconda prova indipendente è che un metallo bombardato dai raggi catodici acquisisce una carica elettrica negativa “a metal bombarded by cathode rays acquires a negative electrical charge” - (fr:5117). Thomson combinò elegantemente queste due linee di evidenza “Thomson himself made the collection experiment conclusive and particularly elegant, by combined both lines of evidence” - (fr:5118).

Si discute poi la necessità di dimostrare anche la deflessione dei raggi da parte di un campo elettrico, esperimento che inizialmente fallì “Hertz looked for deflection of cathode rays by electric fields but found no deflection” - (fr:5120). Thomson spiegò questo fallimento ipotizzando che la ionizzazione del gas residuo nel tubo schermasse i raggi dall’influenza del campo elettrico esterno “electrostatic attraction would cause the ions to surround the electrons… an external electric field would hardly be felt by the surrounded cathode rays” - (fr:5128, 5129). La dimostrazione della deflessione elettrica richiese quindi un miglioramento tecnologico nelle tecniche per ottenere alto vuoto “The demonstration that cathode rays were deflected by electric fields awaited a technological development, improvement in the techniques for achieving high vacua” - (fr:5132).

Ci si sofferma sul metodo indiretto utilizzato da Thomson per misurare la velocità delle particelle e il loro rapporto carica/massa (e/m), bilanciando forze elettriche e magnetiche “Thomson couldn’t even quite measure the force, but he could arrange to balance the force with an electric field” - (fr:5150). Un risultato cruciale fu che il rapporto e/m era costante, indipendentemente dal materiale del catodo o dal gas nel tubo “cathode rays always had the same e/m ratio, no matter what metals were used for the cathodes and no matter what gas was used in the tubes” - (fr:5172). Thomson interpretò questa costanza come prova che i raggi fossero frammenti comuni a tutti gli atomi “he took the constancy of e/m as evidence that the rays are fragments common to all the gases” - (fr:5174).

Il riassunto menziona inoltre il contributo di altri scienziati come Perrin, Lenard e Kaufmann, e come lo sviluppo di strumenti come la camera a nebbia di Wilson abbia assistito il progresso della ricerca “the development of tools allowed his research to progress: the cloud chamber and vacuum technology” - (fr:5191). Infine, si tratta delle successive elaborazioni di Thomson, che fin dal 1897 argomentò che i raggi catodici fossero i costituenti fondamentali degli atomi “From his earliest characterization of cathode rays, Thomson argued that they were building blocks of atoms” - (fr:5181).

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[24.1-248-5224|5471]

24 La radioattività: scoperta e prime indagini sperimentali

Scoperta dei “raggi” dell’uranio e studio sistematico delle sostanze attive

Si presentano la scoperta della radioattività e le successive indagini sperimentali che ne hanno definito le proprietà fondamentali. Antoine Henri Becquerel scoprì che i sali di uranio emettono radiazioni penetranti, riportando che “la sostanza fosforescente in questione emette raggi che attraversano la carta opaca e riducono i sali d’argento” - (fr:5243). La scoperta avvenne in modo inatteso quando, dopo aver tenuto dei cristalli di solfato doppio di uranile e potasio al buoi, “le sagome apparvero con grande intensità” - (fr:5257) sull’emulsione fotografica, dimostrando che il fenomeno non dipendeva dalla luce solare stimolante.

Si tratta poi del lavoro di Marie Sklodowska Curie, che condusse uno studio sistematico per verificare “se sostanze diverse dai composti dell’uranio fossero in grado di rendere l’aria conduttrice di elettricità” - (fr:5361). La sua ricerca, riassunta in una tabella di attività, mostrò che “tutti i composti dell’uranio studiati sono attivi” - (fr:5369) e che “i composti del torio sono molto attivi” - (fr:5370). Un’osservazione cruciale fu che “i due elementi più attivi, l’uranio e il torio, sono quelli che possiedono il peso atomico più grande” - (fr:5372). Inoltre, Curie notò che alcuni minerali, come la pechblenda e la calcolite naturale, “sono molto più attivi dell’uranio stesso” - (fr:5377), il che suggeriva la presenza di un elemento più attivo. Questo la portò a concludere che la radioattività fosse una proprietà atomica, indipendente dallo stato chimico della sostanza.

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[25.1-24-5560|5583]

25 Dimostrazione sperimentale della natura delle particelle alfa

Esperimenti sulla trasmutazione in elio e sulla sua diffusione attraverso materiali

Si descrivono una serie di esperimenti condotti per verificare l’origine dell’elio rilevato in un apparato contenente emanazione di radio. Inizialmente, si è testata l’ipotesi della diffusione attraverso il vetro: dopo aver pompato via l’emanazione e introdotto elio nel tubo interno, non è stato osservato alcuno spettro dell’elio nel tubo esterno per otto giorni “Observations to detect helium in the tube T were made at intervals, in the same way as before, but no trace of the helium spectrum was observed over a period of eight days.” - (fr:5562). Reintrodotta l’emanazione, le righe dell’elio sono apparse dopo quattro giorni “The helium yellow and green lines showed brightly after four days.” - (fr:5565). Questi risultati hanno dimostrato che l’elio non poteva diffondere attraverso le pareti di vetro e doveva invece provenire dalle particelle alfa, fornendo “a decisive proof that the α particle after losing its charge is an atom of helium” - (fr:5567) [una prova decisiva che la particella alfa, dopo aver perso la sua carica, è un atomo di elio].

La discussione prosegue indagando la velocità di rilascio dell’elio dai materiali colpiti. Il ritardo nella comparsa dello spettro ha suggerito che l’elio prodotto dalle particelle alfa “must escape very slowly into the exhausted space” - (fr:5572) [deve fuoriuscire molto lentamente nello spazio esaurito]. Esperimenti ripetuti con un cilindro di piombo a fermare le particelle alfa hanno mostrato che le righe dell’elio erano visibili dopo un solo giorno, intensità simile a quella del quarto giorno senza schermo “the yellow and green lines of helium in this case after one day was of about the same intensity as that after the fourth day in the experiments without the lead screen” - (fr:5575). Ciò ha chiarito che “the lead-foil gave up the helium fired into it far more readily than the glass” - (fr:5576) [la lamina di piombo cedeva l’elio sparato al suo interno molto più facilmente del vetro]. Per misurare questa rapidità, sono stati condotti ulteriori test esponendo il piombo all’emanazione e analizzandolo in un apparato specifico dopo aver sostituito l’aria con ossigeno puro “the air was displaced by a current of pure electrolytic oxygen” - (fr:5581).

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