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

13 Mar, 2026

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1 Elementi e atomi: casi di studio nella storia della chimica

Un percorso attraverso testi originali sull’evoluzione dei concetti fondamentali della chimica.

Si presenta una raccolta di casi di studio incentrati sullo sviluppo storico dei concetti di elemento e atomo. L’opera non intende essere una storia esaustiva della chimica, ma offre “una attenzione selettiva nei dettagli a diverse opere importanti nelle aree degli atomi e degli elementi” (fr:5) [I do not claim for it the breadth or comprehensiveness of a history, but rather a selective attention in detail to several important works in the areas of atoms and elements.]. Non è un’antologia di articoli classici, ma si caratterizza per “meno ampiezza ma più dettaglio” (fr:7) [Again, it has less breadth but more detail]. L’obiettivo è illustrare lo sviluppo dei concetti di elemento e atomo (fr:8) attraverso una serie di capitoli costruiti attorno alle parole dei ricercatori originali (fr:20). Il metodo si ispira alle “case histories in science” di James Bryant Conant (fr:16), con lo scopo di mostrare il lavoro dei grandi scienziati del passato per illustrare la pratica scientifica (fr:17).

La struttura del libro segue un percorso tematico. Una prima serie di testi esamina l’idea di elemento, “dagli elementi pre-scientifici degli antichi alla nozione empirica e provvisoria di elementi come prodotti ultimi dell’analisi chimica” (fr:9) [The first set examine the idea of element from the pre-scientific four elements of the ancients to the empirical and provisional notion of elements as the ultimate products of chemical analysis.]. Una seconda serie riguarda l’atomo e la teoria atomico-molecolare (fr:10), seguita da una sezione sulla classificazione degli elementi, che include “la legge delle ottave di Newlands, il sistema periodico di Mendeleev e l’ammissione in quel sistema dei gas nobili precedentemente insospettati” (fr:11) [the law of octaves of Newlands, the periodic system of Mendeleev, and the admission into that system of the previously unsuspected noble gases.]. L’ultima serie tratta della scoperta che l’atomo non è indivisibile (fr:12). Il libro si ferma al 1913, riconoscendo che la comprensione scientifica di atomo ed elemento non smise di evolversi (fr:13) e che teorie successive, come quella quantistica, sono “cruciali per una visione moderna della struttura di atomi e molecole” (fr:14).

Ogni capitolo è composto da una selezione degli scritti originali di un ricercatore, preceduta da una breve introduzione e seguita da riferimenti bibliografici (fr:21, fr:22). Un ampio commento è fornito sotto forma di note a piè di pagina che “spiegano termini, forniscono dettagli storici aggiuntivi o richiamano l’attenzione su punti metodologici o pedagogici” (fr:24) [These notes explain terms, provide additional historical details, or draw attention to methodological or pedagogical points.], con lo scopo di facilitare la lettura ravvicinata degli articoli originali (fr:25). L’opera sfrutta anche le potenzialità di Internet attraverso collegamenti ipertestuali (fr:26, fr:27).

La prima parte del libro è dedicata al concetto di elemento, partendo dalla constatazione che esistono “due definizioni piuttosto diverse” (fr:52) [two quite different definitions]. Da un lato, la definizione classica vede l’elemento come “una sostanza che non può essere scomposta in sostanze più semplici mediante processi chimici ordinari” (fr:54) [a substance that cannot be decomposed into simpler substances by ordinary chemical processes.]. Dall’altro, la definizione moderna lo identifica come “una sostanza costituita da atomi con lo stesso numero atomico” (fr:55) [a substance made up of atoms with the same atomic number.]. Questa differenza “rappresenta un cambiamento nel tempo” (fr:57) [represents a change over time] e riflette importanti differenze concettuali: la definizione classica evoca processi macroscopici ed è silente sulla struttura, mentre quella moderna è microscopica e legata alla comprensione della struttura della materia (fr:63). Il cambiamento ricorda che “con il cambiare della conoscenza, cambia anche il linguaggio che esprime quella conoscenza” (fr:64) [as knowledge changes, so does the language which expresses that knowledge.].

Le selezioni presentate seguono il termine elemento “ancora più indietro nel passato rispetto alla definizione ‘classica’” (fr:66) [still deeper into the past than the “classic” definition mentioned above.]. Il libro inizia con “una nozione pre-scientifica, i quattro elementi degli antichi” (fr:67) [a pre-scientific notion, the four elements of the ancients.], prendendo in esame Aristotele. Sebbene Aristotele non fosse uno scienziato e il suo metodo non fosse empirico (fr:85, fr:88), la sua concezione degli elementi, “anche se si occupava principalmente di aspetti fisici della materia, fu una concezione che i chimici successivi dovettero affrontare” (fr:94) [even though it was concerned primarily with physical aspects of matter, was one which later chemists had to confront.]. Il percorso prosegue poi con Robert Boyle, che “insistette su esperimenti e osservazioni come base per decidere cosa fossero gli elementi” (fr:71) [insisted on experiments and observations as the basis for deciding what were elements.], e con Antoine Lavoisier, che formulò la definizione classica (fr:73). Le ultime tre selezioni di questa parte illustrano “la caduta dallo status elementare di ciascuno dei quattro elementi degli antichi” (fr:74) [the downfall from elementary status of each of the four elements of the ancients.], attraverso il lavoro di Joseph Priestley sui gas, di Lavoisier sulla combustione e sulla natura composta dell’acqua.

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2 Indagine sui principi elementari della materia

Analisi delle teorie sulla materia primaria e trasformazione dei corpi semplici

Si presenta una discussione sulle teorie dei cosiddetti “elementi” dei corpi, presupposto necessario per la generazione e corruzione delle sostanze complesse. Si discute la posizione di filosofi che postulano un’unica materia primaria, come Aria o Fuoco, e di altri che ne postulano due o più, attribuendo la generazione e corruzione alla loro “associazione” e “dissociazione”, o alla loro “alterazione” “Some maintain it is single, supposing it to be, e.g. Air or Fire, or an ‘intermediate’ between these two” - (fr:107); “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 critica l’idea di una materia corporea e separabile unica, poiché un tale “corpo” non può esistere senza una “contrarietà percepibile” “For this ‘body’ of theirs cannot possibly exist without a ‘perceptible contrariety’” - (fr:112). Viene altresì esaminata e criticata la teoria platonica dell’“Onnirecipiente”.

La dottrina esposta afferma l’esistenza di una materia dei corpi percepibili, sempre vincolata a una contrarietà e non esistente separatamente “Our own doctrine is that although there is a matter of the perceptible bodies… it has no separate existence, but is always bound up with a contrariety” - (fr:120). Si riconoscono quindi tre “principi originari”: la materia potenzialmente corpo percepibile, le contrarietà (come caldo e freddo) e, solo in terzo luogo, Fuoco, Acqua e simili “We therefore have to recognize three ‘originative sources’: firstly that which is potentially perceptible body, secondly the contrarieties… and thirdly Fire, Water, and the like” - (fr:123).

Ci si sofferma quindi sulle contrarietà tangibili che costituiscono forme e principi del corpo, escludendo quelle relative ad altri sensi “it is clear that not all the contrarieties constitute ‘forms’ and ‘originative sources’ of body, but only those which correspond to touch” - (fr:127). Tra queste, caldo-freddo e secco-umido sono primarie e attive, mentre altre (fine-greggio, viscoso-friabile, duro-morbido, ruvido-liscio) ne derivano “Contrarieties correlative to touch are the following: hot-cold, dry-moist, heavy-light, hard-soft, viscous-brittle, rough-smooth, coarse-fine” - (fr:133); “From moist and dry are derived the fine and coarse, viscous and brittle, hard and soft, and the remaining tangible differences” - (fr:140). Queste quattro qualità elementari si combinano in quattro coppie (caldo con secco, caldo con umido, freddo con secco, freddo con umido), le quali si associano ai quattro corpi semplici apparenti: 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… and Water is cold and moist, while Earth is cold and dry” - (fr:165).

Si tratta poi della reciproca trasformazione ciclica di questi corpi semplici, la cui facilità e velocità dipendono dal numero di qualità che devono mutare. La trasformazione è più facile tra elementi “consecutivi” che condividono un fattore complementare (es. da Fuoco ad Aria, cambiando il secco in umido) “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). È invece più lenta quando devono mutare entrambe le qualità.

Infine, si argomenta contro l’esistenza di un unico elemento originario o di un numero infinito di elementi. Se gli elementi fossero infiniti, a un singolo elemento apparterrebbe un numero infinito di contrarietà, rendendo impossibile definirlo e la sua generazione “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). Si conclude che i principi contrari devono essere due e gli elementi quattro.

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[3.1-85-343|427]

3 L’opera e il metodo di Robert Boyle

Un dialogo scientifico del Seicento sulla natura degli elementi

Si presenta l’opera The Sceptical Chymist di Robert Boyle, natural filosofo fondatore della Royal Society noto per la legge sui gas [343, 345]. L’opera è un lungo dialogo che discute le teorie degli elementi, mettendo in dubbio sia il sistema aristotelico dei quattro elementi (terra, aria, fuoco, acqua) sia la dottrina alchemica dei tre principi (mercurio, zolfo, sale) [348, 349]. Il dibattito è condotto dai personaggi Carneades (portavoce di Boyle), Themistius (peripatetico), Philoponus (alchimista) ed Eleutherius (osservatore) [350].

Si discute l’approccio metodologico: Eleutherius esprime soddisfazione perché la discussione si baserà su esperimenti piuttosto che su sillogismi, poiché i “sottili cavilli dialettici” spesso “confondono e talvolta fanno tacere gli uomini, ma raramente li soddisfano” “those Dialectical subtleties… are wont much more to declare the wit of him that uses them, then increase the knowledge or remove the doubts of sober lovers of truth” - (fr:356) [357]. Si stabilisce di intendere per “Principi” o “Elementi” “quei corpi primitivi e semplici di cui si dice siano composti i corpi misti e nei quali sono ultimamente risolti” “those primitive and simple Bodies of which the mixt ones are said to be composed, and into which they are ultimately resolved” - (fr:362).

Carneades sostiene la sua posizione scettica, dichiarando che “non è assurdo dubitare, se, per quanto è stato provato, ci sia la necessità di ammettere alcun Elemento, o Principio Ipostatico” “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). Pur ammettendo l’esistenza di terra, acqua, zolfo e mercurio, nega che questi siano componenti universali di tutti i corpi misti [375, 376]. La sua argomentazione si basa sul principio che “nelle questioni di Filosofia, questa mi sembra una ragione sufficiente per dubitare di una proposizione nota e importante, che la sua verità non sia ancora stata dimostrata da alcuna prova competente” “in matters of Philosophy, this seems to me a sufficient reason to doubt of a known and important proposition, that the Truth of it is not yet by any competent proof made to appear” - (fr:377).

Nella conclusione, Eleutherius propone una conciliazione, suggerendo che gli alchimisti potrebbero concedere che i principi ottenuti col fuoco non sono puri e che il loro numero non è fisso, mentre Carneades potrebbe concedere che molti corpi possono essere divisi in sostanze come sale, spirito, olio, flemma e terra, e che le proprietà mediche spesso risiedono in uno di questi principi [390-394]. Carneades ribadisce che le sue obiezioni erano rivolte principalmente “contro l’inesattezza e la non conclusività degli Esperimenti Analitici comunemente utilizzati per dimostrarli” “against the unaccurateness and the unconcludingness of the Analytical Experiments vulgarly Relyed On to demonstrate them” - (fr:399), e si dichiara pronto ad accettare qualsiasi teoria degli elementi basata su “fondamenti razionali e sperimentali” [400]. L’opera si chiude con l’ammissione di Carneades di una profonda incertezza: “posso scoprire così poco in cosa acquietarmi, che forse le ricerche degli altri sono state a malapena più insoddisfacenti per me, di quanto le mie stesse lo siano state per me stesso” “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).

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[4.1-139-556|694]

4 Prefazione agli Elementi di Chimica di Lavoisier e tavola delle sostanze semplici

Sul nesso tra linguaggio, metodo e riforma della nomenclatura chimica.

Si presenta la prefazione alla traduzione inglese degli Elementi di Chimica di Antoine Lavoisier, dove l’autore espone i principi metodologici e le motivazioni alla base della sua opera. Si discute l’origine del trattato, nato dall’intento di riformare la nomenclatura chimica. Si afferma che il miglioramento di una scienza è inseparabile dal miglioramento del suo linguaggio, poiché “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” “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). Si sottolinea che “non possiamo migliorare il linguaggio di una scienza senza allo stesso tempo migliorare la scienza stessa” “we cannot improve the language of any science without at the same time improving the science itself” - (fr:566).

Ci si sofferma sul metodo induttivo adottato, che procede dal noto all’ignoto e si fonda esclusivamente sull’osservazione e sull’esperimento, evitando supposizioni. Si dichiara la “legge rigorosa… di non formare conclusioni che non siano pienamente garantite dall’esperimento” “rigorous law… of forming no conclusions which are not fully warranted by experiment” - (fr:596). Si spiega la scelta di un nuovo ordine espositivo, diverso dai trattati tradizionali, più consono alla natura e accessibile ai principianti. Si menziona l’omissione deliberata di una trattazione sistematica delle affinità chimiche a causa della mancanza di dati sufficientemente solidi.

Si tratta della riforma della nomenclatura chimica intrapresa con altri collaboratori. Si espongono i criteri adottati: denominare le sostanze semplici con termini semplici, formare i nomi delle combinazioni in base alla natura dei costituenti, e organizzare le sostanze in classi e specie. Si giustifica l’introduzione di termini nuovi, a volte “barbari” “uncouth and barbarous” - (fr:644), per sostituire nomi antiquati e fuorvianti (come “burro d’arsenico” o “fiori di zinco”), che “suggerivano false idee” “suggested false ideas” - (fr:649). Si cita il sostegno alla riforma da parte di Bergman e Macquer.

Si accenna alla struttura dell’opera, divisa in tre parti: la dottrina generale, le tabelle dei sali neutri e la descrizione dettagliata delle operazioni chimiche. Si conclude con una citazione di Condillac che critica il ragionare per supposizioni e pregiudizi invece che sull’osservazione, e ne loda il rimedio: “dimenticare tutto ciò che abbiamo imparato, risalire alle origini delle nostre idee… e, come dice Lord Bacone, riformare di nuovo l’intelletto umano” “to forget all that we have learned, to trace back our ideas to their source… to frame the human understanding anew” - (fr:675).

Infine, si presenta la tavola delle “Sostanze semplici appartenenti a tutti i regni della natura, che possono essere considerate come gli elementi dei corpi” “Simple substances belonging to all the kingdoms of nature, which may be considered as the elements of bodies” - (fr:681), con i nuovi nomi (ad esempio Luce, Calorico, Ossigeno, Azoto) e i corrispondenti termini antichi.

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[5.1-31-735|765]

5 Le idee di Lavoisier e il contesto chimico del suo tempo

Prefazione e pensieri sulla chimica descrittiva, sugli elementi e sulla teoria del flogisto.

Si presenta l’approccio metodologico di Lavoisier, che dà priorità alla chimica descrittiva rispetto alle tabelle di affinità, poiché “non ha senso passare a questa tabella riassuntiva senza prima descrivere le varie sostanze e le loro reazioni caratteristiche” - (fr:740). Si discute la sua definizione operativa di elemento come “un corpo che non può essere scomposto ulteriormente mediante analisi chimica” - (fr:761), raccomandazione pragmatica che suggerisce di “dimenticare i blocchi costitutivi ultimi della materia” - (fr:758) e di concentrarsi sull’osservazione empirica. Si tratta del suo ruolo nel superamento della teoria del flogisto, associata a Becher e Stahl, di cui si afferma che Lavoisier “fu in gran parte responsabile del discredito” - (fr:755), pur riconoscendo che “la teoria, sebbene errata, non era così insensata come potrebbe ora apparire” - (fr:757). Viene menzionato il persistente influsso delle idee antiche sulla materia “ben oltre il tempo di Lavoisier” - (fr:752) e si citano alcuni suoi contemporanei, come i chimici svedesi Scheele e Bergman, e il difensore del flogisto Kirwan - (fr:745, 746, 747, 748).

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6 Sulla scoperta di un nuovo tipo d’aria

La progressiva identificazione sperimentale di un’aria “migliore” dell’aria comune.

Si presenta il resoconto metodico di una serie di esperimenti condotti per estrarre e analizzare l’aria da diverse sostanze, in particolare dal mercurius calcinatus e dal precipitato rosso. Si discute inizialmente la sorpresa nel constatare che in quest’aria “una candela bruciava con una fiamma notevolmente vigorosa” - (fr:920) e che un pezzo di legno arroventato “scintillava in essa, consumandosi molto rapidamente” - (fr:921). Ci si riferisce alla somiglianza con l’aria nitrosa, pur in assenza di acido nitroso noto nel preparato, il che generava perplessità - (fr:920). Si procede quindi alla verifica con campioni autentici, ottenendo lo stesso risultato - (fr:924, fr:925).

Ci si sofferma sulla differenza cruciale riscontrata tra questa aria e l’aria nitrosa fogisticata: mentre l’agitazione in acqua priva rapidamente quest’ultima della proprietà di sostenere la combustione, l’aria dal mercurius calcinatus, anche dopo una prolungata agitazione, permetteva ancora alla candela di bruciare “benissimo come nell’aria comune” - (fr:937, fr:939). Il test decisivo avvenne applicando la prova dell’aria nitrosa. Si scoprì che misurando “una misura di aria nitrosa con due misure di questa aria”, la diminuzione di volume era “pari a quella di una simile miscela di aria nitrosa e aria comune” - (fr:946). Un’ulteriore e sorprendente osservazione fu che, dopo che la miscela era rimasta a riposo tutta la notte, una candela vi bruciava “persino meglio che nell’aria comune” - (fr:954).

La sperimentazione proseguì con test sulla respirabilità, utilizzando un topo. Si osserva che in questa aria il topo visse “una buona mezz’ora”, contro il quarto d’ora previsto nell’aria comune, e uscì “vivace e vigoroso” - (fr:962, fr:971). Misure quantitative più accurate con l’aria nitrosa portarono alla conclusione che questa nuova aria era “tra quattro e cinque volte più buona dell’aria comune” - (fr:983), e in seguito se ne procurò “tra cinque e sei volte più buona della migliore aria comune” - (fr:984). Si tratta infine dell’estrazione della stessa aria “molto pura” da altri preparati, come il minio e il massicot - (fr:986, fr:990, fr:991).

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[7.1-137-1187|1323]

7 Nuova teoria della combustione e della calcinazione

Ipotesi che spiega i fenomeni con la decomposizione dell’aria pura

Si presenta una nuova ipotesi per spiegare i fenomeni della combustione e della calcinazione, in opposizione alla teoria del flogisto di Stahl. Si discute la natura della “materia del fuoco” e si propone che l’aria pura (ossigeno) sia un composto di questa materia con una base. Si afferma che “l’aria è composta, secondo me, della materia del fuoco come dissolvente combinata con una sostanza che le serve da base” - (fr:1227). Nei processi di combustione, questa base si combina con i materiali combustibili, liberando la materia del fuoco: “ogniqualvolta una sostanza verso la quale essa ha più affinità viene presentata a questa base, essa abbandona il suo dissolvente, e allora la materia del fuoco riacquista le sue proprietà e riappare davanti ai nostri occhi con calore, fiamma e luce” - (fr:1228). Si conclude che “l’aria pura, l’aria deflogisticata del Sig. Priestley, è allora, da questo punto di vista, il vero corpo combustibile e forse l’unico in natura” - (fr:1229). L’ipotesi viene applicata alla spiegazione di vari esempi, come la calcinazione dei metalli e la combustione di zolfo, fosforo e carbone, dove si osserva che “in tutte le combustioni, l’aria pura in cui avviene la combustione viene distrutta o decomposta e il corpo che brucia aumenta di peso esattamente in proporzione alla quantità d’aria distrutta o decomposta” - (fr:1197). Si accenna infine all’applicazione della teoria alla respirazione animale, suggerendo un’analogia con la combustione del carbone e la conseguente liberazione di calore. L’autore riconosce il carattere ipotetico della proposta, ma la ritiene più probabile e conforme alle leggi naturali rispetto al sistema di Stahl, il quale “spiegando la combustione con la combustione” - (fr:1206) cade in un circolo vizioso.

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8 L’errore di Lavoisier sulla decomposizione dell’acqua

Un caso di studio sulle false piste nella ricerca scientifica.

Si presenta una serie di esempi in cui, dopo l’affermazione di una nuova idea, è comune cercarne altre occorrenze “once a new idea has become established… it is natural and often fruitful to look for other occurences of it” - (fr:1447). Ci si riferisce al caso di Lavoisier che, appena osservata la decomposizione dell’acqua, ne cerca altre manifestazioni “Lavoisier has just seen water decomposed, so he looks for other circumstances in which water might decompose” - (fr:1448). Si discute di come le aspettative possano condurre a interpretazioni errate, poiché Lavoisier individua il fenomeno anche dove non avviene “he finds it even in some circumstances where it does not occur” - (fr:1454), un esempio di falsa pista non infrequente “False leads in circumstances such as this are also not uncommon” - (fr:1451).

Si tratta della spiegazione, con conoscenza attuale, degli errori di Lavoisier. La dissoluzione dei metalli in acidi forti non implica idrolisi “the dissolution of metals in strong acids does not involve hydrolysis” - (fr:1455), ma un trasferimento di elettroni “The process involves a transfer of electrons from the dissolving metal to the hydrogen ions” - (fr:1456). Si precisa che nella sua chimica non esisteva la distinzione tra ossidi anidri solubili e i corrispondenti acidi “Lavoisier’s chemistry did not make the distinction between water-soluble anhydrous oxides and their corresponding acids” - (fr:1460). Viene analizzata la differenza tra la reazione con acido solforico e quella con acido nitrico, dove Lavoisier fu corretto nel distinguerle “Lavoisier was correct in distinguishing between dissolutions in sulfuric and nitric acids” - (fr:1465).

Ci si sofferma su altri due errori. Il processo di fermentazione non coinvolge l’idrolisi “the process of fermentation does not involve hydrolysis” - (fr:1469), e Lavoisier fu tratto in inganno dalla produzione di anidride carbonica “Lavoisier was misled by the production of carbon dioxide into thinking that oxygen participated in the reaction” - (fr:1470). Nel caso della fotosintesi, invece, la sua ipotesi sulla scomposizione dell’acqua era corretta, sebbene le prove non fossero migliori “Lavoisier happened to be correct that water is taken apart in this process” - (fr:1472).

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9 Tavola dei pesi atomici e composizione dei composti

Pesi relativi degli elementi e struttura delle molecole.

Si presenta una serie di conclusioni sulla composizione atomica di vari composti chimici, espressa in termini di elementi semplici e dei loro pesi relativi, prendendo l’idrogeno come unità di riferimento. Si discute, ad esempio, che l’ammoniaca è un composto binario di idrogeno e azoto, con pesi atomici relativi di 1 e 5 (“That ammonia is a binary compound of hydrogen and azote, and the relative weights of the two atoms are as 1:5, nearly” - (fr:1597) [Che l’ammoniaca è un composto binario di idrogeno e azoto, e i pesi relativi dei due atomi sono come 1:5, circa.]), e che il gas nitroso è composto da azoto e ossigeno, con pesi atomici di 5 e 7 (“That nitrous gas is a binary compound of azote and oxygen, the atoms of which weigh 5 and 7 respectively” - (fr:1598) [Che il gas nitroso è un composto binario di azoto e ossigeno, i cui atomi pesano rispettivamente 5 e ]). Vengono forniti dettagli analoghi per l’ossido di carbonio, l’acido carbonico e altri composti (“That carbonic oxide is a binary compound… that carbonic acid is a ternary compound… weighing 19” - (fr:1599) [Che l’ossido di carbonio è un composto binario… che l’acido carbonico è un composto ternario… del peso di ]).

Si afferma che tutti questi pesi sono espressi in atomi di idrogeno, ciascuno denotato dall’unità (“In all these cases the weights are expressed in atoms of hydrogen, each of which is denoted by unity” - (fr:1601)). Si anticipa che i fatti e gli esperimenti alla base di queste conclusioni, nonché altri relativi alla costituzione delle particelle di acidi, alcali, terre, metalli e sali, saranno dettagliati in seguito (“In the sequel, the facts and experiments from which these conclusions are derived, will be detailed; as well as a great variety of others from which are inferred the constitution and weight of the ultimate particles of the principal acids… all the chemical compounds” - (fr:1602)). Alcune conclusioni saranno supportate da esperimenti originali (“Several of the conclusions will be supported by original experiments” - (fr:1603)).

Per la novità e l’importanza delle idee, si ritiene opportuno fornire tavole che mostrino la modalità di combinazione nei casi più semplici, di cui viene incluso un campione (“From the novelty as well as importance of the ideas suggested in this chapter, it is deemed expedient to give plates, exhibiting the mode of combination in some of the more simple cases. A specimen of these accompanies this first part” - (fr:1604, 1605)). Viene spiegato che gli elementi semplici sono denotati da un piccolo cerchio con un segno distintivo, e le combinazioni consistono nella giustapposizione di due o più di questi (“The elements or atoms of such bodies as are conceived at present to be simple, are denoted by a small circle, with some distinctive mark; and the combinations consist in the juxta-position of two or more of these” - (fr:1606)).

Segue una tabella che elenca i pesi atomici relativi di venti elementi, dall’idrogeno (1) al mercurio (167) (“Hydrogen, its relative weight 1” - (fr:1609); “Azote 5” - (fr:1610); “Mercury 167” - (fr:1628)), e una seconda tabella con la composizione e il peso di dieci composti specifici, come l’acqua (peso 8, composta da 1 ossigeno e 1 idrogeno) (“An atom of water or steam, composed of 1 of oxygen and 1 of hydrogen… its relative weight = 8” - (fr:1629)), l’ammoniaca (peso 6) e l’acido nitrico (peso 19) (“An atom of nitric acid, 1 azote + 2 oxygen 19” - (fr:1635)).

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10 Isotopi e il metodo dei pesi atomici di Dalton

Gli isotopi e il contributo di Dalton alla determinazione dei pesi atomici.

Si presenta la definizione di isotopi come “atomi che hanno l’esterno identico ma l’interno diverso” (fr:1689). Si discute la ragione per cui Dalton escludeva la loro possibilità, ritenendo che campioni diversi di una sostanza avrebbero avuto proprietà osservabili differenti, una situazione a lui sconosciuta (fr:1690, fr:1691). Si spiega che tutte le sostanze apparivano identiche perché non esistevano processi per separare gli isotopi in proporzioni rilevabili (fr:1692, fr:1693). La trattazione prosegue con il contributo di Dalton allo studio quantitativo della chimica. Ci si riferisce alla sua ipotesi di utilizzare i “pesi di combinazione” misurati sperimentalmente, come il rapporto 8:1 tra ossigeno e idrogeno nell’acqua (fr:1704, fr:1705, fr:1707), per compilare una tabella e inferire i pesi relativi degli atomi semplici e composti (fr:1708, fr:1712). La sua originalità risiede nell’associare quei pesi a quelli degli atomi (fr:1713). Si tratta, tuttavia, di uno schema con un limite fondamentale, riconosciuto anche dai critici contemporanei come arbitrario (fr:1723). In termini moderni, Dalton tentava di determinare contemporaneamente formule molecolari e pesi atomici senza conoscere le prime, basandosi su regole plausibili ma arbitrarie (fr:1724, fr:1726, fr:1727). Nonostante l’imprecisione, ad esempio nel valutare il peso del carbonio come 3 invece di 12 (fr:1714), il suo approccio fu fruttuoso perché concentrarsi sulla massa era sperimentalmente accessibile e facilmente quantificabile (fr:1717, fr:1719).

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11 Sulla combinazione dei gas in proporzioni semplici

Esperimenti e calcoli sulle proporzioni volumetriche nelle combinazioni gassose.

Si presentano i risultati di esperimenti sulla combinazione di gas acidi con ammoniaca, dimostrando che si uniscono in rapporti volumetrici semplici. Si riporta che “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). Analogamente, per l’acido fluoborico si osserva che “When the acid gas is put first… equal volumes of the two condense” - (fr:1812), ma può anche formarsi un sale con base in eccesso, composto da “100 of fluoboric gas and 200 ammonia gas” - (fr:1813). Per l’acido carbonico, si forma sempre un sottocarbonato di “100 parts of carbonic gas and 200 of ammonia gas” - (fr:1814), mentre il carbonato neutro risulterebbe da volumi uguali. Da ciò “we may conclude that muriatic, fluoboric, and carbonic acids take exactly their own volume of ammonia gas to form neutral salts, and that the last two take twice as much to form sub-salts” - (fr:1819). Si sospetta che “if all acids and all alkalis could be obtained in the gaseous state, neutrality would result from the combination of equal volumes of acid and alkali” - (fr:1820).

Si discute poi la combinazione di altri gas. Si afferma che “ammonia is composed of 100 of nitrogen 300 of hydrogen, by volume” - (fr:1825) e che “sulphuric acid is composed of 100 of sulphurous gas, 50 of oxygen gas” - (fr:1827). Per l’acido carbonico, “When a mixture of 50 parts of oxygen and 100 of carbonic oxide… is inflamed… their place taken by 100 parts of carbonic acid gas” - (fr:1828), quindi è composto da “100 of carbonic oxide gas, 50 of oxygen gas” - (fr:1829). Vengono presentate le proporzioni volumetriche dei composti dell’azoto con l’ossigeno: “Nitrous oxide 100 .. Nitrous gas 100 .. Nitric acid 100 200” - (fr:1833). Si conclude che “gases always combine in the simplest proportions when they act on one another… the ratio of combination is 1 to 1, 1 to 2, or 1 to 3” - (fr:1833). Si osserva una differenza fondamentale: “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).

Ci si sofferma anche sulla contrazione volumetrica apparente durante la combinazione, la quale “has also a simple relation to the volume of the gases” - (fr:1836). Ad esempio, per la formazione di acido carbonico, “the apparent contraction of the two gases is precisely equal to the volume of oxygen gas added” - (fr:1838). Vengono forniti ulteriori esempi per l’ossido nitroso, il gas nitroso, l’ammoniaca e l’acido muriatico ossigenato, mostrando come le densità calcolate basandosi su semplici rapporti di contrazione concordino con i valori sperimentali. Si nota che “the condensation of the molecules of two combining substances… has no immediate relation to the condensation of volume” - (fr:1887).

Infine, si esamina la questione delle proporzioni costanti o variabili nelle combinazioni, riconciliando le teorie di Dalton e Berthollet. Si ammette che, in generale, si possano ottenere “compounds with very variable proportions” - (fr:1902), ma che “chemical action is exerted more powerfully when the elements are in simple ratios or in multiple proportions among themselves, and that compounds are thus produced which separate out more easily” - (fr:1903). La conclusione ribadisce che “the compounds of gaseous substances with each other are always formed in very simple ratios” - (fr:1905) e che questa regolarità “is peculiar to gaseous substances” - (fr:1909), a differenza di quanto avviene per solidi e liquidi.

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[12.1-69-2405|2473]

12 Determinazione dei pesi atomici e delle densità gassose relative

Elenco sperimentale di elementi e calcoli dei loro pesi atomici.

Si presentano i risultati di una serie di esperimenti volti a determinare il peso atomico di diversi elementi e la conseguente densità di gas dei loro volumi. I calcoli partono dall’assunzione che il peso di un atomo di carbonio sia 5, da cui si deduce che la densità di un suo volume gassoso è 4166, “esattamente 12 volte quella dell’idrogeno” - (fr:2408). Per lo zolfo, il peso atomico è fissato a 20, rendendo la densità del suo gas uguale a quella dell’ossigeno (1.1111), “e conseguentemente esattamente 16 volte quella dell’idrogeno” - (fr:2411). Per il fosforo, dopo molte prove non definitive, si adottano i valori di circa 5 per l’elemento e 5 per l’acido fosforico, ritenuti corretti o quasi corretti* - (fr:2413, fr:2414).

Per il calcio, partendo dalla composizione del carbonato, si calcola un peso atomico di 25, con una densità gassosa di “1.3888, o esattamente 20 volte quella dell’idrogeno” - (fr:2420). Per il sodio, attraverso esperimenti con acido muriatico diluito e carbonati, si ricava un peso atomico di 30, da cui una densità gassosa di “1.6666, o esattamente 24 volte quella dell’idrogeno” - (fr:2433). Per il ferro, esperimenti simili portano a un peso atomico di 35 e una densità gassosa di “1.9444, o esattamente 28 volte quella dell’idrogeno” - (fr:2441). Per lo zinco, il peso atomico è considerato 40 e la densità gassosa “2.222, o esattamente 32 volte quella dell’idrogeno” - (fr:2448).

Per il potassio, si determina un peso atomico di 50, con densità gassosa di “2.7777, o esattamente 40 volte quella dell’idrogeno” - (fr:2456). Per il bario (barytium), il peso atomico è 5 e la densità gassosa “4.8611, o esattamente 70 volte quella dell’idrogeno” - (fr:2463). L’autore specifica che gli esperimenti furono condotti “con la massima attenzione possibile all’accuratezza” e ripetuti più volte* - (fr:2464). I risultati sono sintetizzati in una tabella che mostra le sostanze elementari, le loro densità relative e i pesi atomici* - (fr:2465, fr:2466).

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[13.1-34-2657|2690]

13 Tabelle di pesi atomici e specifici

Confronto tra valori calcolati e sperimentali

Si presentano una serie di dati numerici relativi a pesi atomici e specifici di vari elementi chimici. La trattazione consiste in una tabella che elenca, per ciascuna sostanza, valori di peso atomico teorici e sperimentali, con riferimento a diversi autori. Si discute la struttura della tabella stessa: “In the first column we have the specific gravities of the different substances in a gaseous state, hydrogen being 1” - (fr:2687); “In the third column are the corrected numbers, the atom of oxygen being supposed, according to Dr. Thomson, Dr. Wollaston, &c. to be 10” - (fr:2688). Viene notata la corrispondenza tra valori calcolati e sperimentali: “and in the fourth, the same, as obtained by experiment, are stated, to show how nearly they coincide” - (fr:2689). L’elenco include elementi come “Aluminium 8 8 10 68⁽¹⁾ ⁽¹⁾Berzelius” - (fr:2661), “Magnesium 12 12 15 6⁽²⁾ ⁽²⁾Henry” - (fr:2662), “Copper 32 32 40 40⁽⁷⁾ ⁽⁷⁾As deduced by Dr. Thomson” - (fr:2667), fino a “Gold 200 200 250 68⁽²⁴⁾ ⁽²⁴⁾Ditto” - (fr:2684). Si precisa che “Of the individual substances mentioned, I have no remark to make, except with respect to iodine” - (fr:2690). La tabella è descritta come di facile comprensione: “This, as well as the other tables, will be easily understood” - (fr:2686).

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[14.1-288-2993|3280]

14 Relazioni tra i Pesi Equivalenti degli Elementi

Classificazione degli elementi in gruppi e triadi basata su rapporti numerici tra i loro pesi equivalenti.

Si presentano una serie di relazioni numeriche osservate tra i pesi equivalenti di elementi analoghi, raggruppati in undici categorie. Si discute come, all’interno di ciascun gruppo, il peso equivalente di un elemento sia spesso la media aritmetica di altri due, formando così una “triade”. “The following are among the most striking relations observed on comparing the equivalents of analogous elements” - (fr:2993). Per esempio, nel gruppo degli alcali, “1 of lithium + 1 of potassium = 2 of sodium” - (fr:2996). Nei metalli delle terre alcaline, “strontium is the mean of calcium and barium” - (fr:3003). Si rileva inoltre che le differenze tra i pesi equivalenti di elementi consecutivi all’interno di un gruppo sono spesso multipli di otto, come mostrato in esempi quali “Magnesium 12 Calcium 20 8” e “Oxygen 8 Sulphur 16 8” - (fr:3043). Si osserva che “the difference between the lowest member of a group, and the next above it, was either 8, or 8 x 2 = 16” - (fr:3049).

Ci si sofferma poi su una proposta di legge più generale, quella degli “ottavi”. Disponendo tutti gli elementi in ordine di peso atomico e assegnando loro un numero ordinale, si nota che “elements having consecutive numbers frequently either belong to the same group or occupy similar positions in different groups” - (fr:3110). In particolare, “the eighth element starting from a given one is a kind of repetition of the first, like the eighth note of an octave in music” - (fr:3110). Questa regolarità, per la quale “members of the same group stand to each other in the same relation as the extremities of one or more octaves in music” - (fr:3122), viene definita “the ‘Law of Octaves’” - (fr:3124). Una tabella che ordina i 56 elementi noti secondo questa legge mostra che “elements belonging to the same group usually appear on the same horizontal line” - (fr:3120).

La comunicazione di questa legge alla Chemical Society suscita obiezioni. Un critico osserva che “the last few years had brought forth thallium, indium, caesium, and rubidium, and now the finding of one more would throw out the whole system” - (fr:3139). Un altro chiede sarcasticamente “whether he had ever examined the elements according to the order of their initial letters” - (fr:3141), sostenendo che qualsiasi disposizione può mostrare coincidenze casuali. In risposta, l’autore afferma di aver provato altri schemi senza successo e che “no relation could be worked out of the atomic weights under any other system than that of Cannizzarro” - (fr:3144).

Nel corso della trattazione, si fanno anche previsioni sull’esistenza di elementi sconosciuti, come un metallo alcalino con peso equivalente 163 “not yet discovered” - (fr:2999), o l’elemento medio di una triade che ha come estremi silicio e stagno, il cui peso equivalente calcolato sarebbe 73 “which is at present wanting” - (fr:3085). Si ammette infine che “some of the relations above pointed out are more apparent than real” - (fr:3055).

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[15.1-68-3359|3426]

15 La prima tavola periodica di Mendeleev e le sue note esplicative

Analisi e commenti critici alla tavola periodica del 1869

Si presenta la tavola periodica degli elementi di Mendeleev del 1869, corredata da note che ne discutono caratteristiche, errori e previsioni. La tavola, che ordina gli elementi per peso atomico, rivela “some new analogies between elements” (fr:3363). Si discute del principio di periodicità, notando che la parola “stepwise” nella traduzione tedesca (stufenweise) non rendeva l’idea di “periodicità” presente nell’originale russo, fatto che ebbe un ruolo nella disputa di priorità con Lothar Meyer “The fact that Lothar Meyer soon afterwards pointed out that the variation displayed was actually periodic was an important element in the priority dispute” (fr:3368).

Ci si sofferma sulle previsioni di elementi sconosciuti contenute nella tavola “This table contains several implicit predictions of unknown elements” (fr:3372). Tra queste, l’analogo dell’alluminio, confermato dalla scoperta del gallio nel 1875 “The prediction of an unknown analogue of aluminum was borne out by the discovery in 1875 of gallium” (fr:3387), e l’analogo del silicio, confermato dal germanio nel 1886 “The prediction of an unknown analogue of silicon was borne out by the discovery in 1886 of germanium” (fr:3392). Altre previsioni furono ritrattate o risultarono errate.

Si trattano gli errori e le incertezze presenti nella tavola originale. Diversi elementi sono collocati in posizione errata, come il rodio “Rhodium (Rh) is misplaced. It belongs between ruthenium (Ru) and palladium (Pd)” (fr:3376-3377) e l’uranio, il cui peso atomico è sbagliato “Its atomic weight is actually more than double the value given here” (fr:3389). La classificazione dell’idrogeno viene menzionata come un problema ricorrente “The classification of hydrogen has been an issue throughout the history of periodic systems” (fr:3384). Particolare difficoltà presentavano gli elementi delle terre rare, che “puzzled Mendeleev” (fr:3401), a causa delle loro proprietà chimiche molto simili e dei pesi atomici mal determinati “The chemical properties of the rare earths are so similar that they were difficult to distinguish and to separate” (fr:3409).

Viene infine citata l’importanza storica della regolarità nei pesi atomici tra elementi con comportamento simile, nota già prima di Mendeleev “The existence of a very regular progression in atomic weight among elements with similar chemical behavior had attracted the attention of chemists almost from the time they began to measure atomic weights” (fr:3417), e il concetto di valenza “The valence of an element is essentially the number of bonds that element can make” (fr:3420).

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[16.1-81-3549|3629]

16 La legge periodica degli elementi e le teorie sulla materia

Limiti e promesse della matematica nella chimica periodica

Si discute dei limiti degli approcci matematici tradizionali nel rappresentare la legge periodica degli elementi, a causa della natura discreta e a salti delle loro masse atomiche “They correspond to points, to numbers, to sudden changes of the masses, and not to a continuous evolution” - (fr:3549). Si presentano due tentativi algebrici specifici: la formula logaritmica di E. J. Mills e la formula per i volumi atomici dei metalli alcalini di B. N. Tchitchérin “The attempt of E. J. Mills (1886) does not even aspire to attain this end” - (fr:3557); “Tchitchérin first noticed the simple relations existing between the atomic volumes of all alkaline metals” - (fr:3562). La legge periodica viene collegata alla teoria delle proporzioni multiple di Dalton, aprendo un nuovo campo di speculazione filosofica “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).

Ci si riferisce quindi alla rinascita dell’idea antica di una materia primaria unica, analizzando criticamente i presunti sostegni forniti dall’analisi spettroscopica e dalla legge periodica stessa. Si contesta l’interpretazione delle linee spettrali dell’elio e del ferro come prova “No attention is paid to the circumstance that the helium line is only seen in the spectrum of the solar protuberances” - (fr:3577); “the observations of Lockyer can be considered precisely as a proof that iron undergoes no other changes at the temperature of the sun” - (fr:3580). Si afferma che la legge periodica, basata sulla ricerca sperimentale, non origina né indica l’unità della materia “the periodic law… does not in the least originate in the idea of an unique matter… it affords no more indication of the unity of matter or of the compound character of our elements” - (fr:3584). Si traccia l’origine metafisica dell’idea di materia unica nel desiderio di trovare unità nella diversità, distinguendola dall’unità di piano, forze e materia scoperta dalla scienza moderna “we easily trace that in the absence of inductions from experiment it derives its origin from the scientifically philosophical attempt at discovering some kind of unity in the immense diversity of individualities” - (fr:3586); “natural science has discovered throughout the universe a unity of plan, a unity of forces, and a unity of matter” - (fr:3589).

Si affronta il paradosso tra unità e individualità, sottolineando come la chimica, avendo scoperto le individualità degli elementi soggette a una legge generale, offra una risposta “Chemistry has found an answer to the question as to the causes of multitudes; and while retaining the conception of many elements, all submitted to the discipline of a general law, it offers an escape from the Indian Nirvana” - (fr:3597). Si esamina poi la teoria della natura composta degli elementi, prendendo come esempio il parallelismo tra la periodicità degli elementi e quella dei radicali idrocarburici proposta da Pelopidas e Carnelley “pointing out the remarkable parallelism which was to be noticed in the change of properties of hydrocarbon radicles and elements when classed in groups” - (fr:3600). Si osserva, tuttavia, una differenza fondamentale nella direzione della variazione di massa tra le due serie, il che invalida l’identità dei due casi di periodicità “in the periods of the hydrocarbon radicles we have a decrease of mass… while in the periods of the elements the mass increases” - (fr:3609).

In conclusione, si classifica la teoria della materia primaria unica tra le utopie, opponendole la libertà di opinione, l’esperimento e nuove utopie, come quella immaginata da uno studente sul peso come funzione del moto degli atomi “this theory must be classed amongst mere utopias” - (fr:3611); “my students who imagined that the weight of bodies does not depend upon their mass, but upon the character of the motion of their atoms” - (fr:3616). Si riflette infine sul ruolo delle leggi sperimentali, paragonandole a strumenti come il telescopio per allargare l’orizzonte mentale, e si sottolinea come la legge periodica abbia trasformato la visione degli elementi da fatti frammentari a un sistema che permette di prevedere proprietà di elementi non ancora scoperti “laws founded on the basis of experiment are the instruments and means of enlarging our mental horizon” - (fr:3626); “The law of periodicity first enabled us to perceive undiscovered elements at a distance which formerly was inaccessible to chemical vision” - (fr:3629).

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[17.1-26-3633|3658]

17 La legge periodica e la revisione dei pesi atomici

Conferme e correzioni imposte dalla sistematica degli elementi

Si presenta la legge periodica come strumento per padroneggiare e correggere i dati empirici sui pesi atomici. Prima della sua formulazione, i pesi atomici erano “numeri puramente empirici” e si era “costretti a muoversi nel buio” (fr:3635). La legge ha imposto revisioni, come la bivalenza del berillio, confermata dalla densità del vapore del cloruro di berillio (fr:3646), e la trivalenza dell’ittrio (fr:3638). Ha inoltre rivelato errori in determinazioni consolidate, come per il tellurio, il cui peso atomico è risultato inferiore a quello dello iodio (fr:3653, fr:3654), e per la serie osmio, iridio, platino e oro, dove nuove determinazioni hanno confermato le previsioni della legge (fr:3657, fr:3658). La legge, pur necessitando di ulteriori miglioramenti per diventare uno “strumento affidabile per ulteriori scoperte” (fr:3633), si è così affermata risolvendo controversie e guidando la ricerca.

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[18.1-24-3784|3807]

18 Contrapredizioni e funzioni periodiche nella scienza e nella tavola periodica

Peso delle contropredizioni e analogia matematica per la periodicità degli elementi

Si presenta la nozione di “contropredizione” come predizione rischiosa che, se verificata, conferisce particolare peso a una nuova teoria scientifica “some philosophers of science give particular weight to such risky predictions in evaluating a new scientific theory or hypothesis” - (fr:3784). Si discute quindi la natura delle funzioni periodiche in matematica e fisica, definite come regole i cui valori si ripetono regolarmente “a function… whose values repeat regularly” - (fr:3786), come nel caso di fenomeni fisici quali l’onda in uno stagno “the height of the surface of water in a pond… varies periodically in both time and space” - (fr:3789). Ci si riferisce all’affermazione di Mendeleev secondo cui le proprietà degli elementi chimici sono una funzione periodica della loro massa “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), pur notando che in fisica non si conoscono altre funzioni periodiche della massa “no other periodic functions of mass are known in physics” - (fr:3793). Si tratta poi del fatto che tale periodicità dipende in realtà non dalla massa ma dal numero atomico “the properties which seem to be periodic functions of the mass of atoms do not actually depend on their mass, but on something else… the atomic number” - (fr:3794, 3795). Viene menzionata un’analisi etimologica dei termini “individuo” e “atomo”, entrambi riconducibili al concetto di indivisibilità “both words name something which cannot be split” - (fr:3797). Infine, ci si sofferma sulla distinzione tra funzioni continue e discrete sollevata da Mendeleev, il quale collegava la presenza di periodi lunghi e corti nel sistema periodico al fatto che gli elementi sono entità discrete “Mendeleev implies that the occurence of some long periods and some short periods in the periodic system is related to the fact that the elements are discrete and not continuous” - (fr:3806), sebbene si osservi che tale distinzione non appaia particolarmente utile “Mendeleev’s pointed distinction between continuous and discrete functions is not appear to be very useful” - (fr:3805).

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[19.1-61-4232|4292]

19 Metodi di purificazione dell’azoto e indagine su una discrepanza

Una differenza dello 0,1% tra due metodi sperimentali.

Si presenta il lavoro di Rayleigh volto a isolare l’azoto dall’aria utilizzando due metodi: uno più recente che impiega ammoniaca e uno tradizionale che utilizza rame. “Any left-over ammonia is ‘absorbed’ (neutralized) by acid, which removes it from the gas sample” - (fr:4232) “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). Il metodo dell’ammoniaca si basava su una reazione nota e Rayleigh aveva motivo di credere che funzionasse; tuttavia, era utile verificare quanto bene funzionasse confrontandolo con un metodo consolidato [fr:4240]. Il metodo tradizionale utilizzava la reazione: O₂ + 2 Cu –> 2 CuO [fr:4241].

Si discute una piccola discrepanza riscontrata tra i risultati dei due metodi. “Note how small the discrepancy was” - (fr:4243). Una differenza dello 0,1% potrebbe essere considerata trascurabile, ma diventa significativa quando i metodi utilizzati sono in grado di misurare con una precisione maggiore [fr:4245, fr:4247]. Per valutare la precisione, è necessario effettuare più prove con ciascun metodo [fr:4249]. L’analisi statistica fornisce criteri per giudicare la probabilità che una differenza apparente sia reale [fr:4251].

Ci si sofferma quindi sull’indagine di Rayleigh per trovare una spiegazione alla discrepanza. “Rayleigh is now trying to find an explanation of the difference” - (fr:4252). Egli si aspettava probabilmente di trovare un difetto in uno dei due metodi [fr:4253]. La risoluzione di tali anomalie assomiglia a una versione in piccolo del metodo scientifico tradizionale, che prevede la formulazione di ipotesi e la progettazione di esperimenti per testarle [fr:4257, fr:4258]. Ad esempio, si ipotizzò che il metodo di Harcourt non avesse rimosso tutto l’ossigeno [fr:4259], oppure che l’azoto prodotto dalla reazione chimica potesse essere diverso da quello atmosferico [fr:4278], forse in forma atomica (N) invece che molecolare (N₂) [fr:4280].

Si fa notare che Rayleigh, pur essendo un fisico, cercò il parere di chimici poiché i metodi coinvolgevano reazioni chimiche [fr:4267, fr:4268]. Il resoconto deriva da una conferenza pubblica, il che spiega la presenza di un linguaggio e considerazioni che di solito sono assenti dagli articoli scientifici formali [fr:4269, fr:4273].

La strategia adottata fu quella di amplificare la discrepanza per studiarla meglio, cercando ed esagerando le differenze tra i due metodi, una alla volta [fr:4284, fr:4287]. Rayleigh si concentrò sull’azoto prodotto dall’ammoniaca [fr:4288]. Il confronto dell’N₂ ottenuto con una varietà di metodi e condizioni avrebbe permesso di determinare se qualcuno di essi fosse inaffidabile [fr:4289]. Il fatto che tutte le misurazioni dell’“azoto chimico” concordassero è una buona prova che tutti i metodi producono la stessa cosa, cioè N₂ puro [fr:4290]. In tutti gli esperimenti, Rayleigh preparava un campione di gas, riempiva un globo di vetro in condizioni specificate e ne pesava il contenuto [fr:4292].

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[20.1-49-4295|4343]

20 Metodi di produzione e proprietà dell’azoto

Esperimenti sulla densità e la natura dell’azoto atmosferico e chimico.

Si presentano diversi metodi per produrre azoto (“azoto chimico”) da composti come ossidi di azoto, nitrito d’ammonio e urea, attraverso reazioni di riduzione o ossidazione a N₂ “The entries labeled chemical nitrogen were prepared not from atmospheric air, but from different nitrogen-containing substances” - (fr:4296). Viene discusso il problema delle impurità negli esperimenti scientifici, con particolare attenzione all’idrogeno “Here Rayleigh is particularly concerned about hydrogen, the lightest of the gases” - (fr:4309). Si riportano i tentativi di Rayleigh di verificare l’eventuale presenza di atomi liberi di azoto nei suoi campioni, attraverso pesate a distanza di mesi e l’uso di scariche elettriche, senza rilevare differenze “there was no detectable difference in weight after eight months” - (fr:4315) e “He was unable to detect any differences in weight before and after the sparking” - (fr:4320). Ci si sofferma sul lavoro di Henry Cavendish sui gas, che include il riconoscimento dell’idrogeno come sostanza distinta e lo studio della composizione dell’aria “He was the first to recognize hydrogen (”inflammable air” as he called it) as a distinct substance” - (fr:4326). Viene descritto il suo apparato sperimentale, in cui l’azoto e l’ossigeno reagivano con l’aiuto di scintille e i prodotti venivano assorbiti da una sostanza basica “With the help of the sparks, the nitrogen in the tube reacts with the oxygen” - (fr:4339) e “Potash reacts with these nitrogen oxides and thereby removes them from the gas” - (fr:4340). Si menziona infine che l’azoto era storicamente caratterizzato dalla sua inerzia “one of the characteristics of nitrogen gas was its inertness and lifelessness” - (fr:4330).

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[21.1-42-4465|4506]

21 Funzionamento e proprietà di un radiometro e caratterizzazione dell’argon

Dal moto delle palette alla determinazione del peso atomico

Si presenta il funzionamento di un dispositivo a palette, dove la luce incidente sulle superfici nere fornisce più energia alle molecole di gas rispetto a quelle bianche, causando la rotazione delle palette stesse “This makes the vanes spin away from the black sides (toward the white sides).” - (fr:4467). Il dispositivo dimostra la conversione dell’energia luminosa in energia meccanica rotazionale “The device demonstrates one way in which light energy can be converted into mechanical energy (namely the rotational energy of the vanes).” - (fr:4468). Si discute poi del comportamento del radiometro riempito con argon, gas per il quale Rayleigh riporta un funzionamento identico agli altri gas “Rayleigh reports that when the gas in the radiometer is argon, the device works the same way is it does with other gases.” - (fr:4469). Dalla sua densità, misurata attraverso questo dispositivo, è possibile calcolarne il peso atomico. Poiché volumi uguali di gas diversi contengono numeri uguali di molecole, il rapporto tra le densità equivale al rapporto tra i pesi molecolari “Because equal volumes of different gases contain equal numbers of molecules, the ratio of the densities of those gases is equal to the ratio of their molecular weights” - (fr:4471). Essendo l’argon 9 volte più denso dell’idrogeno, il suo peso molecolare risulta 1 “If argon is 9 times as dense as hydrogen, whose molecular weight is known to be 02, then argon must have a ‘molecular weight’ of 1.” - (fr:4472), valore vicino a quello accettato oggi (39.948).

Ci si sofferma sul rapporto tra i calori specifici a pressione e volume costante, il cui limite teorico massimo (5/3 o 67) è raggiungibile solo da gas monoatomici “The ratio of heat capacities can be no greater than 67 (5/3 actually), and that theoretical limit can be reached only by monatomic gases” - (fr:4478). Per i gas biatomici o poliatomici, il rapporto è inferiore perché l’energia fornita può essere assorbita anche da moti rotazionali o vibrazionali delle molecole, oltre che traslazionali “A diatomic molecule such as N₂ or O₂ has several possible modes of motion: it can fly off as a whole (translational motion), its two atoms can move back and forth in opposite directions (vibration), or it can tumble end over end (rotation).” - (fr:4480). L’argon, insieme ad altri gas monoatomici noti, presenta un rapporto di 5/3 “At present several monatomic gases are known, argon included, and their heat capacity ratios are all 5/3.” - (fr:4487), a differenza dei gas biatomici (circa 4) e poliatomici (circa 3). Questo risultato era inatteso, poiché all’epoca non erano noti gas monoatomici in condizioni ordinarie, fatta eccezione per il vapore di mercurio “The only monatomic gas then known was mercury vapor (that is, not a gas under ordinary conditions).” - (fr:4489), e il peso atomico di 40 non trovava una collocazione ovvia nella tavola periodica “Moreover, if the new gas was monatomic and had a molecular weight of 40, there seemed to be no place for it in the periodic table.” - (fr:4490).

Si tratta della conferma che l’argon è un componente dell’atmosfera e non un artefatto dei processi sperimentali. Prove schiaccianti indicano che il gas è presente nell’aria “The question of whether the gas is in the atmosphere (and not somehow introduced or formed during the processing of atmospheric air) seems to be answered yes by overwhelming evidence.” - (fr:4495). Rayleigh utilizza esperimenti di controllo, processando azoto di origine non atmosferica, per dimostrare che l’argon non viene creato dal trattamento “He has already shown that argon can be isolated by processing atmospheric air in a certain way; so he now shows that it is not formed by processing nitrogen of non-atmospheric origin (‘chemical nitrogen,’ prepared from urea, for example) in the same way.” - (fr:4502). Viene infine posta la questione fondamentale sulla natura dell’argon: “Is argon an element, or is it a previously unknown compound of other elements?” - (fr:4506).

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[22.1-124-4953|5076]

22 Sulla scoperta e la natura dei corpuscoli (elettroni)

Indagine sperimentale sui raggi catodici e determinazione della massa e della carica del corpuscolo.

Si presenta una lezione introduttiva su indagini che hanno portato a concludere che i portatori di elettricità negativa sono corpuscoli di massa molto inferiore a quella di qualsiasi atomo conosciuto e identici indipendentemente dalla loro fonte “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, 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). La loro prima individuazione avviene in un tubo a scarica altamente esaurito “The first place in which corpuscles were detected was a highly exhausted tube through which an electric discharge was passing.” - (fr:4954). La fosforescenza verde sulle pareti del tubo è causata dai raggi catodici “The green phosphorescence is caused by cathode rays” - (fr:4959), la cui natura fu oggetto di 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). Le prove a favore delle particelle cariche includono la loro deflessione da parte di un magnete, in modo analogo a particelle elettrizzate in movimento “they are deflected by a magnet in just the same way as moving, negatively electrified particles” - (fr:4961), e il trasferimento di una carica negativa a un recipiente metallico che le cattura “when they are caught in a metal vessel they give up to it a charge of negative electricity” - (fr:4965). Anche la deflessione elettrica, ottenuta in condizioni di vuoto molto spinto, indica una carica negativa “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).

La scoperta di Hertz che i raggi catodici potevano penetrare lamine metalliche sottili “he found that they were able to penetrate very thin sheets of metal… and produce appreciable luminosity on glass behind them” - (fr:4974) spinse a un’indagine più approfondita. Si descrive un metodo per determinare la velocità (v) delle particelle bilanciando le forze elettrica e magnetica “if the electric and magnetic fields are arranged so that they oppose each other… we have Hev = Xe or v = X/H” - (fr:4979). Tale velocità risulta molto elevata, fino a un terzo di quella della luce “In a very highly exhausted tube this may be ¹/₃ the velocity of light” - (fr:4981). Sottoponendo poi le particelle al solo campo elettrico, si misura lo spostamento del punto di fosforescenza e si ricava il rapporto carica/massa (e/m) “We can easily measure this displacement d, and we can thus find e/m from the equation e/m = (2d/X) (v²/l²)” - (fr:4989). Questo rapporto è costante per tutte le particelle dei raggi catodici, 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). Il valore trovato è circa 7x10⁷, ovvero 1700 volte maggiore di quello per l’atomo di idrogeno ionizzato “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). Ciò implica che la massa del corpuscolo sia molto piccola o la sua carica molto grande “either the mass of the corpuscle must be very small compared with that of the atom of hydrogen… or else the charge on the corpuscle must be very much greater than that on the hydrogen atom.” - (fr:4998).

Per determinare la carica (e), si utilizza il metodo di condensazione del vapore acqueo su particelle cariche, scoperto da C. T. R. Wilson “a charged particle acts as a nucleus round which water vapour condenses and forms drops of water” - (fr:5011). Contando le goccioline di una nuvola formata in aria priva di polvere ma contenente particelle cariche (ad esempio, prodotte da radium) e misurandone la dimensione dalla velocità di caduta “From the rate at which the drops slowly fall we can determine their size” - (fr:5036), si risale al numero di particelle. Misurando poi la carica totale, si ottiene la carica per particella “we can deduce at once the charge on each particle” - (fr:5041). Un metodo alternativo, usato da H. A. Wilson, equilibra il peso della goccia con la forza elettrica su di essa “if we adjust the electrical force until the drops are in equilibrium… we know that the upward force on each drop is equal to the weight of the drop” - (fr:5047). Il valore trovato per e è 1x10⁻¹⁰ unità elettrostatiche, uguale a quello portato dall’atomo di idrogeno nell’elettrolisi “This value is the same as that of the charge carried by a hydrogen atom in the electrolysis of dilute solutions” - (fr:5050). Lo stesso valore si ottiene quando la carica è prodotta dalla luce ultravioletta su una lastra metallica “The value of the charge when the electrification is produced by ultraviolet light is the same as when the electrification is produced by radium.” - (fr:5056). Poiché e è uguale alla carica dell’idrogeno e e/m è 1700 volte maggiore, ne consegue che la massa del corpuscolo è circa 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).

I corpuscoli sono ampiamente diffusi, emessi da metalli riscaldati, da sostanze esposte alla luce, da sostanze radioattive e forse anche dal sole “They are given out by metals when raised to a red heat… Corpuscles are also given out by metals and other bodies… when these are exposed to light. They are being continually given out in large quantities… by radioactive substances” - (fr:5004, 5006, 5007). Ovunque si trovino, mantengono la loro individualità, con e/m costante, e sembrano essere un costituente fondamentale della materia “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). In tutti i casi noti, l’elettricità negativa nei gas a bassa pressione si presenta sotto forma di questi corpuscoli “In all known cases in which negative electricity occurs in gases at very low pressures, it occurs in the form of corpuscles, small bodies with an invariable charge and mass.” - (fr:5064), a differenza dell’elettricità positiva.

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23 La natura dei raggi catodici e la scoperta dell’elettrone

Evidenze sperimentali e dibattito storico sulla costituzione particellare e carica dei raggi catodici.

Si presenta il dibattito scientifico sulla natura dei raggi catodici, discusso attraverso le evidenze sperimentali di J.J. Thomson e altri. Si tratta dell’ipotesi che i raggi siano particelle cariche negativamente, supportata dal loro comportamento in campi magnetici ed elettrici “cathode rays exposed to a magnetic field act just like negative electric charges in motion would act” - (fr:5116) e dal fatto che un metallo bombardato da essi “acquires a negative electrical charge” - (fr:5117). Viene citato il contributo di Perrin nella raccolta di questi raggi “carried out this collection of cathode rays in 1895” - (fr:5113). Si discute la precedente assenza di deflessione in campi elettrici osservata da Hertz, attribuita da Thomson alla presenza di gas che schermava le particelle: “The absence of deflection on this view is due to the presence of gas–to the pressure being too high” - (fr:5133). Il progresso tecnologico nel vuoto permise infine di osservare la deflessione elettrica, confermando la carica negativa “The deflection of the cathode rays by electric forces became quite marked, and its direction indicated that the particles… were negatively electrified” - (fr:5139).

Ci si sofferma sui metodi indiretti di misura usati da Thomson, come il bilanciamento di forze elettriche e magnetiche per determinare la velocità delle particelle, e il calcolo algebrico del rapporto carica/massa (e/m). Viene sottolineato che “Thomson found that 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). Questa costanza, insieme alla capacità dei raggi di penetrare lamine metalliche (osservata da Lenard), suggeriva che le particelle fossero costituenti comuni a tutti gli atomi, “fragments common to all the gases” - (fr:5174). Si conclude riferendosi all’elaborazione da parte di Thomson dell’idea che queste particelle, identificate anche in fenomeni termoionici e fotoelettrici, fossero i mattoni degli atomi, influenzandone le proprietà periodiche e formando ioni per distacco o attacco “charged atoms, acquire their charge by the detachment and attachment of electrons” - (fr:5183). Viene infine menzionato il ruolo dello sviluppo tecnologico, come la camera a nebbia di Wilson e le tecniche per l’alto vuoto, nel progresso di questa ricerca.

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[24.1-248-5224|5471]

24 Scoperta e primi studi sulla radioattività

Raggi penetranti da sali di uranio e attività di elementi pesanti

Si presenta la scoperta della radioattività da parte di Antoine Henri Becquerel, seguita dalle prime indagini sistematiche di Marie Sklodowska Curie. Si discute l’esperimento iniziale in cui Becquerel osservò che un sale di uranio impressionava lastre fotografiche anche al buio, concludendo che “la sostanza fosforescente in questione emette raggi che attraversano la carta opaca e riducono i sali d’argento” - (fr:5243). Si riporta la sua sorpresa nel constatare che le lastre, preparate in giorni nuvolosi e lasciate al buio, mostravano invece silhouette “con grande intensità” - (fr:5257), dimostrando che l’effetto non dipendeva dalla luce solare.

Ci si sofferma poi sul lavoro di Marie Curie, che estese la ricerca ad altre sostanze per verificare “se sostanze diverse dai composti dell’uranio fossero in grado di rendere l’aria conduttrice di elettricità” - (fr:5361). La sua indagine, che includeva un’ampia gamma di minerali e composti, stabilì che “tutti i composti di uranio studiati sono attivi” e che “i composti di torio sono molto attivi” - (fr:5369, 5370). Un risultato cruciale fu l’osservazione che due minerali di uranio, la pechblenda e la calcolite, erano “molto più attivi dell’uranio stesso” - (fr:5377), fatto che suggeriva la presenza di “un elemento molto più attivo dell’uranio” - (fr:5377). Si nota come Curie collegasse l’attività agli elementi più pesanti, osservando che “i due elementi più attivi, l’uranio e il torio, sono quelli che possiedono il peso atomico maggiore” - (fr:5372).

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25 Esperimenti sulla natura delle particelle alfa

Verifica dell’origine dell’elio nei tubi a emanazione

Si descrive una serie di esperimenti condotti per determinare l’origine dell’elio rilevato in un apparato contenente radon. Inizialmente, si testa l’ipotesi della diffusione attraverso il vetro: dopo aver pompato via l’emanazione e introdotto elio puro nel tubo A, non si osserva alcuna traccia dello spettro dell’elio nel tubo esterno T per otto giorni “no trace of the helium spectrum was observed over a period of eight days” - (fr:5562). Una volta rimosso questo elio e reintrodotta l’emanazione, le righe gialla e verde dell’elio ricompaiono brillanti dopo quattro giorni “The helium yellow and green lines showed brightly after four days” - (fr:5565). Questi risultati mostrano che l’elio non diffonde dal vetro, ma “must have been derived from the α particles which were fired through them” - (fr:5566), fornendo una prova decisiva che “the α particle after losing its charge is an atom of helium” - (fr:5567).

Si discute poi della velocità di rilascio dell’elio dal materiale in cui le particelle alfa si fermano. Un esperimento con un cilindro di piombo posto a schermo attorno al tubo a emanazione mostra che l’elio viene rilasciato dal piombo molto più rapidamente che dal vetro: le righe dell’elio si osservano con intensità già dopo un giorno, anziché quattro “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). Viene quindi descritto un metodo per testare quantitativamente la rapidità di fuga dell’elio dal piombo, che prevede l’esposizione del foglietto di piombo all’emanazione, il suo posizionamento in un tubo di vetro e la sostituzione dell’aria con ossigeno puro prima dell’analisi “the air was displaced by a current of pure electrolytic oxygen” - (fr:5581).

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