070416_Dall_alchimia alla chimica_1

Dall’alchimia alla chimica / 1
Lezione del corso di
Storia della Tecnologia
16/04/2007
Filippo Nieddu
La “chimica naturale”
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L'erborizzazione, la raccolta
di essenze naturali, la
distillazione dei succhi e
l'estrazione di sostanze sono
stati alla base della
farmacologia sino alla
moderna chimica delle
sintesi.
La concia delle pelli serve
invece per la “nobilitazione” di
uno scarto dell’industria della
carne.
Radici di mimosa, Collezione del R. Istituto del Cuoio di Torino
L’alchimia
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L'alchimia, disciplina carica di
ermetismo ed esoterismo,
nasce agli albori della civiltà
intorno alle trasformazioni dei
metalli, che segnarono il
grande evento della
rivoluzione agricola.
La spiegazione metaforica
della combinazione degli
elementi ha creato un
linguaggio di immagini e
segni che ha continuato a
vivere anche quando migliori
conoscenze hanno svelato i
primi segreti della materia. Heinrich Khunrath, Amphitheatrum sapientiae aeternae,
1595
Athanasius Kircher
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Athanasius Kircher, gesuita
nel Collegio Romano, istituì
un Museum simile alle
Wunderkammer.
La sua visione del mondo è
carica degli archetipi esoterici
di una scienza arcana di cui
bisogna decifrare i segreti.
La conoscenza del mondo è
"curiosa" ed eclettica. Il
Mundus subterraneus
(Amsterdam, 1664) immerge
il mondo minerale in una
cosmogonia in cui la
tecnologia ha piccolo spazio.
Athanasius Kircher, Mundus Subterraneus, 1664
I testi “alchemici”
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La costituzione dei metalli è
determinata dalla materia del
pianeta corrispondente e ciò che
accade in Natura deve essere
riprodotto per artificio. Vi sono
sette metalli, ciascuno correlato
al suo pianeta, cioè: l'oro che
viene dal Sole e che così si
chiama; l'argento dalla Luna; il
ferro da Marte; l'argento vivo da
Mercurio; lo stagno da Giove; il
piombo da Saturno; il rame e il
bronzo da Venere; i metalli sono
chiamati col nome del loro
pianeta.
Da: [pseudo] Tommaso d'Aquino,
L'Alchimia, ovvero trattato della
pietra filosofale, cura e traduzione di
Paolo Cortesi, Milano : Newton
Compton, 1996.
La distillazione / 1
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Nel 1544 il chirurgo militare
Filippo Ulstadio pubblicò
un'opera sui farmaci ottenuti
mediante la distillazione
Egli riconosceva il debito nei
confronti della tradizione
alchemica e di Giovanni da
Rupescissa in particolare.
Il Coelum philosophorum è in
effetti un dettagliato resoconto
delle conoscenze elaborate
nei trattati alchemici medievali
sulla distillazione
Philippus Ulstadius, Coelum philosophorum, 1544
La distillazione / 2
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Le opere d'alchimia attribuite a
Raimondo Lullo, scritte a partire
dal terzo decennio del XIV
secolo, parlano dell'utilizzo
medicinale del lapis
philosophorum o elixir prodotto
mediante le tecniche illustrate
nella Summa perfectionis
magisterii.
Il Liber de secretis naturae seu
de quinta essentia, presentava la
tecnica della distillazione
dell'alcool inserendola in un
progetto alchemico complessivo
finalizzato sia alla produzione di
medicine per il corpo umano che
alla trasmutazione dei metalli.
Raimondo Lullo
La distillazione / 3
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Negli anni 1351-52 un
francescano, Giovanni da
Rupescissa, rinchiuso nel
carcere di Avignone per la sua
attività profetico-politica,
scrisse l'opera che segna
l'ultima tappa creativa
dell'alchimia latina, il Liber de
consideratione quintae
essentiae.
Egli insegna a distillare
alchemicamente (e cioè in un
vaso ermeticamente sigillato) il
vino, modificando una tecnica
già in uso per la produzione di
aquae medicinali.
Egli designa l'alcool ottenuto col
nome di quinta essentia,
riservata alla materia dei cieli,
perché "continuando a
sublimare con elevazioni e
discese fino a mille volte giunge
ad una glorificazione così
eccelsa da diventare un
composto incorruttibile quasi
come il cielo, e perciò, dal fatto
che ha la natura del cielo, è
chiamata quintessenza, poiché
sta in rapporto col nostro corpo
come il cielo sta in rapporto col
mondo intero“.
La Summa
alchemica / 1
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La Summa perfectionis
magisterii fu scritta da un
semi-sconosciuto
francescano del Duecento,
Paolo di Taranto negli ultimi
decenni del XIII secolo.
Quest'opera rimase per secoli
uno dei capisaldi dell'arte
trasmutatoria; la sua
importanza è sottolineata dal
fatto che fino all'Ottocento
venne considerata opera di
Geber (il nome latinizzato
dell'alchimista islamico Jâbir).
Summa perfectionis magisterii, 1531
La Summa alchemica / 2
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L'autore descrive la
generazione e le
caratteristiche fisiche dei
metalli, indicati con i nomi dei
pianeti corrispondenti, e poi
della sostanza alla base
dell'opus, il mercurio "non
volgare“.
Lo schema operativo è
scandito in sette procedure:
sublimazione, distillazione,
calcinazione, soluzione,
coagulazione, fissazione,
fluidificazione.
L’alchimista arabo Geber, considerato l’autore della Summa
Una curiosità: la pistola di Volta
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"Un miscuglio di gas ossigeno e d'idrogeno nella proporzione di uno
a due non immeritatamente fu chiamata aria tonante dal dotto fisico
Volta. Tostoché il prelodato cavalier Volta scoperse che la scintilla
elettrica anche debole accendeva non solo all'aria aperta, ma anche
al chiuso un miscuglio di gas e di aria atmosferica, pensò alla
costruzione della sua pistola elettrica. In una canna di vetro con il
fondo chiuso vengono praticate due aperture tali da far passare a
tenuta due fili metallici le cui estremità interne sono poste alla
distanza di circa un millimetro. Si procede poi a riempire la canna
con la miscela gassosa ed a tapparla opportunamente.
La scintilla elettrica nel luogo dell'interruzione dei due fili colpirà il
miscuglio aeriforme, il quale infiammandosi farà saltare il turacciolo
di sovero con un rumore simile a quello di un moschetto o di una
pistola".
Bibl.: G.B. Moratelli, Corso elementare di fisica ad uso delle
Università e dei Licei del Regno d'ltalia, voll. 4, Milano: Sonzogno,
1805
La pila di Volta
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Alessandro Volta [...] riuscì a combinare alcuni apparecchi, che
fecero sbalordire, per così dire, tutti i fisici d'Europa.
Uno di questi è quello a corona composto di tanti bicchieri (n.b. 30 o
40) pieni d'acqua tiepida e alquanto salata e posti accanto l'uno
all'altro. In ciascuno di questi bicchieri pescano due lastre l'una di
rame, e l'altra di zinco saldate insieme; ma con quest'ordine, nel
primo bicchiere pesca la sola lastra di zinco; quella di rame a lei
saldata accavallandosi sopra l'orlo dei due bicchieri pesca invece nel
secondo; in questo secondo pesca una seconda lastra di zinco unita
ad una di rame, che va a pescare nel terzo, e così delle altre. [...]
Conviene avvertire che per il buon successo delle esperienze è
necessario che nello stesso bicchiere le lastre di zinco e rame [...]
non si tocchino, ma che vi rimanga sempre l'acqua di mezzo. "
"Se s'immerge un dito nel primo bicchiere, e con l'altra mano si tocca
l'acqua o il metallo dell'ultimo si ha una scossa sensibilissima".
Bibl.: G.B. Moratelli, Corso elementare di fisica ad uso delle
Università e dei Licei del Regno d'ltalia, voll. 4, Milano: Sonzogno,
1805, II, 297.
Amedeo
Avogadro / 1
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Avogadro riformula in maniera
originale la teoria atomica di
John Dalton e la legge sulle
combinazioni del francese
Joseph-Louis Gay-Lussac
Propone l'ipotesi, in
riferimento al cosiddetto
numero di Avogadro: "volumi
uguali di gas, a parità di
temperatura e pressione,
contengono lo stesso numero
di particelle".
Amedeo Avogadro, Essai d'une manière de déterminer
les masses relatives des molecules élémentaires des
corps, et les proportions... Biblioteca Civica di Torino,
Manoscritti scientifici di Amedeo Avogadro, n. 2
Amedeo Avogadro / 2
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Avogadro insegnò all'Università di Torino tra il 1820 ed il 1821
e, in seguito, dal 1834 al 1850.
Egli nutrì un particolare interesse per il problema della
diffusione del sapere scientifico, in relazione alla formazione
degli alunni delle scuole primarie e secondarie.
Avogadro insegnò all'Università di Torino Fisica Sublime,
all'interno del corso di Filosofia positiva presso la Facoltà di
Lettere e Scienze (ex Facoltà delle Arti).
Il corso era destinato a formare gli insegnanti delle scuole
superiori. Fra il 1837 ed il 1841 Avogadro pubblicò (grazie a
Carlo Alberto) un manuale universitario, diviso in quattro
volumi, dal titolo Fisica de' corpi ponderabili. La forma è
discorsiva, sono presenti ampi cenni storici e, soprattutto,
sono descritte le ricerche in corso e le ipotesi alternative.
La metallurgia
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La storia della tecnologia
accompagna la chimica sin
dalle sue origini. L'arte
mineraria, la metallurgia delle
leghe per campane e
cannoni, le tecnologie di
produzione alimentare e la
stessa energia elettrica, sono
settori dove ingegneri e
tecnici hanno saputo portare
a innovazioni di grande
importanza per la società.
Georgius Agricola, De Re Metallica, Basilea, 1556, Forno per la metallurgia del rame
La chimica tintoria / 1
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I coloranti naturali erano noti in tutte le aree civilizzate del
mondo antico. Estratti principalmente da sostanze vegetali o
animali, lavorati con altre sostanze, principalmente minerarie,
essi non erano soltanto applicati ai tessuti ma usati per molti
altri scopi.
I processi tintori, codificati a partire dal X secolo, furono
profondamente modificati con la scoperta e la colonizzazione
del Nuovo Mondo. Molti furono infatti i colori ivi coltivati che non
solo arricchirono la gamma di quelli noti e coltivati in Europa, ma
che sostituirono quasi completamente i coloranti locali, come
l'indaco e il rosso coccinella.
Nella seconda metà del XVIII secolo, lo scenario si modificò
radicalmente. Si modificarono i luoghi, da piccoli laboratori a
fabbriche sempre più grandi, i gusti, le mode, e gli attori.
La chimica tintoria / 2
• A partire dal 1750, soprattutto in Francia, per la grande
importanza economica e strategica che settori legati ai coloranti
iniziavano ad acquisire, criteri chimici furono applicati
sistematicamente ai processi tintori, e una nuova classe di
chimici specializzati iniziò a sostituire quella dei Maestri Tintori.
• In Piemonte, nel 1789, il Governo, dati i costi per la tintura delle
divise per l'esercito e per migliorare un'arte importante per
l'economia locale, si rivolse all'Accademia delle Scienze. Nello
stesso anno venne formata una commissione apposita che,
dopo una accurata divisione del lavoro, iniziò a produrre studi e
analisi. Qualche mese dopo fu deciso di bandire anche un
premio per uno studio sulla coltivazione del corrispondente
indigeno dell'indaco, il guado (ricerche interrotte nel 1792).
La chimica
tintoria / 3
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Vittorio Amedeo III nel 1773 varò una
riforma dell'esercito che coinvolse
anche il colore delle divise: da rosse a
blu.
In quegli anni, tutti i paesi europei
producevano indaco nelle proprie
colonie: la Francia in Santo Domingo, il
Regno Unito nella Carolina del Sud e
la Spagna in molte sparse colonie.
Le foglie dell'indaco erano lasciate
fermentare in appositi locali e indi
lavorate fino a ottenere una polvere
bianca, successivamente disidratata e
compattata, che veniva imballata in
varie forme prima di essere esportata.
Le Livre de l'Uniforme des Regimens d'Infanterie au service de S.M. le Roi de Sardaigne, 1744
La chimica
tintoria / 4
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Nel 1784, il Ministro dei
Savoia a Napoli informò il
governo che un piemontese
di nome Giuseppe Morina
aveva, dal 1781, impiantato
con successo una fabbrica in
cui con il guado locale
riusciva a produrre un
colorante con caratteristiche
molto simili all'indaco.
Pareri del Consiglio di Commercio circa i saggi di colore... di Giuseppe Morina, 27/2-6/5 1785, Archivio di Stato di Torino
La chimica di sintesi
• Quando l'Accademia riprese
la sua attività scientifica dopo
il periodo francese, il tema
dei coloranti naturali, il cui
declino iniziò a Londra molti
decenni dopo nel 1856 con la
scoperta da parte di William
Henry Perkin dell'anilina, non
venne più affrontato.
Il Fischietto, 1860
L’industria degli alcali / 1
• Il settore dell'industria chimica che
per fu quello degli alcali. Esso giunse
a maturità tecnologica negli ultimi
decenni dell’Ottocento, ed è
rappresentativo dell'affermarsi stesso
dell'industria chimica fra quelle
fondamentali per lo sviluppo
economico.
• Per tutto l'Ottocento con il termine
"industria degli alcali“, primo settore
a realizzare una produzione
economicamente cospicua, si
comprendevano soda, soda
caustica, e acido solforico.
Soda caustica in granuli
L’industria degli alcali / 2
• L'industria degli alcali si poneva al servizio di altri settori: il tessile,
trainante dell'intera rivoluzione industriale, poi quelli del sapone,
del vetro, della carta, tutti legati a consumi civili in grande crescita
con il diffondersi di modesti livelli di benessere. Si comprende
quindi l'estendersi della base produttiva di questo comparto, pur
caratterizzato fra il 1810 e il 1860 da immobilità tecnologica.
• Alcuni "alcali" erano stati preparati e utilizzati da tempo
immemorabile. In particolare la soda (carbonato di sodio) era
ricavata dalle ceneri di alcune alghe e di certe piante che
crescevano in paludi salmastre, mentre la potassa (carbonato di
potassio) poteva essere ottenuta ovunque vi fossero foreste da
incenerire. I derivati caustici della soda e della potassa si
avevano mediante trattamento con calce viva; la soda caustica
era particolarmente apprezzata nei saponifici in quanto portava a
saponi "duri", più costosi di quelli "molli" ottenuti trattando i grassi
con potassa caustica.
L’industria degli alcali / 3
• Nell'industria chimica la soda
caustica è un reagente di ampio
impiego; è utilizzato nella sintesi di
coloranti, detergenti e saponi, nella
fabbricazione della carta e nel
trattamento delle fibre del cotone,
nonché nella produzione
dell'ipoclorito di sodio (la comune
candeggina) e di altri sali sodici,
quali il fosfato ed il solfuro.
• A livello domestico trova uso nei
prodotti per disgorgare gli scarichi
dei lavelli; va maneggiato con una
certa cautela, dato che provoca
ustioni per contatto con la pelle e
cecità per contatto con gli occhi.
Duhamel, Black e Leblanc
• II crescere della domanda di alcali durante tutta la prima metà del
Settecento ne fece lievitare notevolmente il prezzo, ma non vi fu
alcuna possibilità di produzione da altre materie prime che non
fossero i vegetali fin quando non furono stabiliti i concetti
fondamentali di sostanza e di composizione.
• Nel 1736 il francese H.-L. Duhamel (1700-1782) provò che il sale
comune era un composto della base della soda e dello spirito di
sale (acido cloridrico). Quando nel 17° secolo il chimico inglese
Joseph Black (1728-1799) stabilì che soda e potassa non erano
altro che i corrispondenti composti caustici combinati con aria
fissa (anidride carbonica), apparve anche il nesso fra materie
prime facilmente accessibili, quali il salmarino e il calcare, e la
soda, ma occorsero tre decenni di proposte e di tentativi pratici
prima di giungere ad una "soluzione" accettabile a opera di
Nicolas Leblanc nel 1775 (premio dell’Accademia francese).
Leblanc e Solvay
• II sistema tecnico della soda
Leblanc rimase sostanzialmente
invariato fino al 1863, quando
per una singolare coincidenza
esso si trovò sottoposto a una
duplice fortissima pressione,
economica e politica. La prima
veniva dalla proposta di un
processo alternativo da parte
del belga Ernest Solvay (18381922), la seconda era costituita
dall'inedita legge antiinquinamento inglese, l'Alkali
Act.
Un confronto impari
• Il principio del processo Solvay è il
seguente: se in una soluzione di sale
saturata con ammoniaca si fa
gorgogliare anidride carbonica si
ottiene un precipitato di bicarbonato di
sodio, poco solubile, da cui per
riscaldamento si ha la soda.
• Ernest e Alfred Solvay compirono il
passo decisivo con la messa a punto
di una torre di carbonatazione.
• Già alla fine degli anni ’90 il processo
Solvay aveva raggiunto, per quantità
prodotta, il metodo Leblanc (con il
quale, per ogni tonnellata prodotta,
venivano scaricati nell'aria 0,75 t di
cloruro di idrogeno).
I coloranti sintetici / 1
• La storia dei coloranti di sintesi inizia da un'intenzione
"farmaceutica". Nel 1855 il diciassettenne William H. Perkin
(1838-1907) era entrato nel Royal College of Chemistry; e gli era
stata indicata come tema di ricerca la sintesi della chinina, una
sostanza vegetale impiegata nella cura della malaria.
• Nel 1856 Perkin si imbattè più volte in precipitati di incerta
composizione, ma di spiccata colorazione. Perkin ignorò l'avviso
di studiare solo sostanze purificate e cristallizzate, e accentrò il
suo interesse sui risultati della reazione fra dicromato potassico e
anilina. Dopo una prima esperienza condotta su un impianto
pilota di tipo familiare, depositò il 26 agosto 1856 il brevetto del
nuovo colorante, la porpora di anilina.
• Il successo fu immenso, immortalato nella leggenda dalla
comparsa della regina Vittoria all'Esposizione universale del 1862
interamente vestita in mauve, secondo il nome francese del
colorante di Perkin.
I coloranti sintetici / 2
• Dopo il lancio commerciale del mauve le scoperte nel nuovo
campo furono innumerevoli: a partire dal magenta (o fucsina) di
E. Verguin (1859), il blu di metilene, scoperto da H. Caro (18341910) nel 1876, e tuttora usato per il cotone, il verde malachite
(1878) di O. Fischer (1852-1932), e il rosso congo di P. Böttiger
(1884), il primo colorante diretto per cotone.
• Il passaggio più evidente dall'empirismo all'intenzione costruttiva
della chimica strutturale si ebbe già con la sintesi dell'alizarina di
Karl Lieberman (1842-1914) e Carl Graebe (1841-1927) nel
1869. Per giungere alla loro sintesi i due ricercatori avevano
utilizzato le conoscenze più avanzate sui chinoni e sui composti
aromatici, nonché sulle reazioni che permettevano di passare da
una classe di composti organici a un'altra.
Un caso di colorante: l’indaco
• La struttura della molecola
dell'indaco richiese anni di
studi per essere delucidata da
Adolf Bayer (1835-1917), che
fra il 1880 e il 1883 propose
quattro vie di sintesi del
composto. Nessuna di queste
rese la sintesi industriale
competitiva con il prodotto
naturale, e la pressione della
BASF su Baeyer fu tale da
portare a una rottura nel 1885.
• L'indaco sintetico fu
commercializzato dalla BASF
dal 1897.
Indaco naturale (India)
La chimica ottocentesca
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Alla fine dell’Ottocento si vennero formando le “scuole
nazionali”, in particolare in Germania e in Francia.
Nel primo caso si ebbe una struttura policentrica, con Liebig,
Wöhler e Bunsen come riconosciuti maestri.
Tutta la Francia doveva gravitare a Parigi, dominata con una
vera successione apostolica prima da Gay-Lussac, poi da
Dumas e infine da Berthelot.
Un modello ancora diverso era dato dal Regno Unito, dove il
rapporto fra ricerca e società solo parzialmente passava
attraverso le Università, e anche professionisti come Crookes
poterono dare un buon contributo alla scienza.
La chimica e l’agricoltura / 1
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L'impiego del guano, escrementi di uccelli con ricco tenore di
azoto e fosforo, si sviluppò considerevolmente in Inghilterra e
negli Stati Uniti dal 1840. Il suo commercio si prolungò fino al
1875 quando fu rimpiazzato dal nitrato cileno come sorgente
di azoto e integrato in parte dal solfato di ammonio ottenuto
dalle acque di lavaggio delle officine del gas illuminante.
Un notevole progresso per i concimi azotati venne dato dal
metodo Haber, una sintesi diretta di ammoniaca da idrogeno e
azoto con un opportuno catalizzatore. Nel 1913 a Oppau in
Germania sorse il primo grande impianto con sistema Haber
in grado di toccare già le 43.000 tonnellate agli inizi della I
guerra mondiale.
La chimica e l’agricoltura / 2
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Il solfato di rame, già usato nelle campagne inglesi, si diffuse
rapidamente dopo il 1882, unito a calce come "poltiglia
bordolese", appena venne individuata in Francia la sua
efficacia contro la peronospora della vite.
Ma il composto di sintesi più innovativo è stato il DDT.
Ottenuto da uno studente già nel 1874, solo nel 1939 nei
laboratori Geigy ci si accorge della sua attività particolarmente
forte e persistente come insetticida.
Il DDT venne usato la prima volta a Napoli nel 1943 per
bloccare un'epidemia di tifo che aveva prodotto effetti
devastanti tra i soldati americani e un anno dopo per
combattere efficacemente la malaria.
Dmitrii Mendeleev (1834-1907)
• Tavola degli elementi
(dal 1869)
• Volutamente incompleta
• Permise di “immaginare”
i nuovi elementi
Dmitrii Mendeleev
Dmitrii Mendeleev
Riferimenti bibliografici essenziali
• http://www.minerva.unito.it/Storia/Storia_Indice.htm
• http://www.levity.com/alchemy/home.html
• http://www2.polito.it/strutture/cemed/sistemaperiodico/
index.html
• Antonio DI MEO, Storia della chimica, Milano :
Mondadori, 1996
• Isaac ASIMOV, Breve storia della chimica :
introduzione alle idee della chimica, Milano :
Zanichelli, 1979