La chimica parte 3: la teoria atomica della materia e la storia degli autori

Le leggi della combinazione chimica fanno sorgere la domanda sulla struttura della materia. Com’è fatta la materia?

Una prima risposta a questa domanda si ebbe 2500 anni fa, ad opera di filosofi greci, gli atomisti, i quali affermarono che la materia era composta di particelle indivisibili, gli atomi (in greco atomos significa indivisibile).

L’esponente più importante di questa dottrina fu Democrito. Agli atomisti si oppose un grande filosofo greco, Aristotele, per il quale la materia era composta da quattro elementi: terra, acqua, fuoco, aria. Le idee di Aristotele perdurarono fino ad oltre l’età moderna mentre quelle degli atomisti vennero lasciate in disparte fino alla loro rinascita con la teoria atomica di Dalton.

John Dalton all’inizio dell’800′ usò le idee degli atomisti come base della sua teoria atomica. Questa teoria cercava di spiegare le leggi della combinazione chimica. I punti principali dalla teoria di Dalton sono i seguenti:

La materia è costituita da particelle definite chiamate atomi.

• Gli atomi sono indivisibili;
• Tutti gli atomi di un certo elemento sono identici;
• Gli atomi di elementi diversi hanno masse e altre proprietà diverse;
• Quando atomi di elementi diversi si combinano per formare i composti, si formano nuove e più complesse particelle; gli atomi che le costituiscono sono sempre presenti in un rapporto numerico definito;

Dalton riteneva, dunque, che non si potessero avere frazioni di atomo in un composto e che la massa di un dato atomo rimaneva invariata da composto a composto.

Altre osservazioni sulla formazione di composti furono di aiuto a Dalton nel confermare la sua teoria. Tra questo osservazioni la più importante fu quella relativa al comportamento di alcuni elementi che, combinandosi tra loro, formano più di un composto.

Ad esempio il ferro e lo zolfo si possono combinare dando origine alla pirite (FeS2) o alla troilite (FeS); nel primo caso il rapporto tra le masse dei due elementi è 1 g di Fe per 1,148 g di S mentre nel secondo caso 1 g di Fe per 0,574 g di S.

Si può notare che il rapporto tra le masse dello S nei due composti è in un rapporto pari a quello di due numeri interi (2 e 1), piccoli. Questo fatto è spiegabile solo attraverso la teoria atomica di Dalton.

A questo proposito lo scienziato, studiando situazioni di questo genere, dedusse una legge della combinazione chimica nota come legge delle proporzioni multiple: quando due elementi formano più composti, le diverse masse di uno che si combinano con la medesima massa dell’altro sono in un rapporto di numeri interi piccoli.

Le ricerche sulla struttura della materia successive a quelle di Dalton portarono a correzioni significative all’ipotesi atomica, senza, però, modificare il postulato di base sull’esistenza degli atomi.

La correzione più evidente fu quella riguardante l’indistruttibilità dell’atomo: l’atomo è, a sua volta, composto da particelle più piccole dette particelle subatomiche.

Anche il postulato che “Tutti gli atomi di un certo elemento sono identici” non risultò corretto in quanto venne rilevato che molti elementi hanno degli isotopi: particelle che hanno le stesse proprietà chimiche ma massa leggermente diversa.

La distribuzione degli elettroni

Gli elettroni si trovano localizzati nello spazio che circonda il nucleo e ruotano attorno ad esso. Essi non girano seguendo un’orbita come fa un pianeta attorno al Sole ma si trovano in zone di spazio chiamate livelli. In un dato livello possono trovasi un numero limitato di elettroni: nel primo livello, quello più vicino al nucleo, possono trovar posto al massimo 2 elettroni, nel secondo 8, nel terzo 18, e così via. Ogni livello è suddiviso sottolivelli.

Gli elettroni che si trovano nello stesso livello possiedono circa la stessa energia mentre quelli situati su livelli diversi hanno diversa energia. Un elettrone può passare da un livello ad un altro ma per far questo deve acquistare o perdere energia. Ogni livello è caratterizzato da un suo valore di energia e l’elettrone per abbandonare o per salire a quel livello deve acquisire o perdere esattamente la differenza di energia tra il livello in cui si trova e quello nel quale deve andare (si dice che l’energia è quantizzata).

I livelli vengono occupati gradualmente man mano che sale il numero di elettroni e questo comporta che non sempre i livelli sono completi. Un atomo con numero atomico 8 (ossigeno) avrà la seguente distribuzione di elettroni.

Dalla tabella si può notare che nel secondo livello c’è spazio ancora per due elettroni.
Ecco la distribuzione per un atomo con 10 elettroni (neon).

Gli elettroni più esterni sono importanti dal punto di vista chimico perché sono quelli che possono entrare in “contatto” con gli atomi vicini.

Semplificando la situazione possiamo dire che nel livello più esterno possono trovar posto 2 o 8 elettroni per cui un atomo come l’ossigeno ha ancora “posto” per altri due elettroni, mentre il neon no.

Questo fatto è alla base della possibilità che hanno gli atomi ad unirsi.

La distribuzione degli elettroni in in atomo e la configurazione dell’ultima orbita determinano la capacità che ha un atomo di combinarsi con altri atomi.

Democrito di Abdera (Abdera, Tracia, Asia Minore 470/460 circa – 370 circa a.C.) 

Filosofo, fisico e matematico greco. I particolari della vita di D. sono avvolti nella leggenda.

Il padre sembra fosse un uomo molto in vista: stando a Diogene Laerzio, nella sua casa si sarebbe fermato Serse (re di Persia dal 486 a.C.) nella sua marcia attraverso la Tracia, lasciandovi alcuni membri del suo seguito, che avrebbero iniziato Democrito all’astronomia e alla teologia orientali. Alla morte del padre sembra che Democrito avesse venduto la propria parte di eredità per fare un viaggio in Egitto, in Persia e in India.

Delle opere di Democrito ci sono pervenuti solo citazioni (circa 300, alcune delle quali probabilmente spurie) e frammenti, e le trattazioni più o meno estese della sua dottrina giunte sino a noi sono comunque opera di filosofi molto posteriori: in particolare, molte delle sue dottrine sono discusse da Aristotele (che per Democrito dimostrò sempre un’altissima considerazione). 

Il contributo maggiore di Democrito alla storia della scienza venne comunque dalla sua dottrina filosofica: insieme al suo maestro Leucippo (più anziano di lui di 10-30 anni), Democrito fu infatti il fondatore della dottrina atomistica.

A differenza  di molti contemporanei, Democrito volle rivalutare sapere derivante dalle sensazioni, come guida sicura a una dottrina filosoficamente legittima della conoscenza della natura.

Democrito postulò, come il suo maestro Leucippo, l’esistenza dello spazio vuoto infinito, in cui si muovono a caso un numero infinito di particelle solide indivisibili (atomi), invisibili, in continuo movimento, differenti tra loro per forma e dimensioni, responsabili delle trasformazioni della realtà con il mutare delle loro posizioni e con la varietà delle loro forme.

Atomi e vuoto venivano così a costituire la base esplicativa del sistema democriteo dell’universo; nel loro movimento gli atomi davano origine al mondo, alle sensazioni e alla conoscenza.

Per Democrito gli atomi erano omogenei rispetto a una data sostanza, non contenevano parti vuote o interstizi di sorta e si trovavano in moto perpetuo nel vuoto infinito.

Il loro moto perpetuo si attuava indipendentemente dal moto del corpo di cui facevano parte, e del quale essi stessi erano partecipi.

Stando alle testimonianze sulla sua opera, Democrito con la sua dottrina otteneva una spiegazione razionale di tutti i fenomeni  e forniva un quadro complessivo dell’intero universo fisico e dei vari fenomeni astronomici e terrestri.

In definitiva, tutte le spiegazioni fornite da Democrito per i vari fenomeni erano di tipo rigorosamente materialistico e meccanicista: la materia atomica e lo spazio erano per Democrito, i soli enti realmente esistenti, mentre i corpi potevano influire gli uni sugli altri solo per contatto diretto, innescando catene di eventi necessari.

Notizie tratte dal Dizionario Biografico degli Scienziati e dei Tecnici edito da Zanichelli