La mole

Uno studio sulla epistemologia regionale dei chimici

 

Luigi Cerruti

 

Dipartimento di Chimica Generale ed Organica Applicata

Università di Torino


 

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Nota aggiunta il 12 maggio 2002

 

Questa monografia fu pubblicata nel 1984, per cura della dr. Margherita Plassa dell'Istituto di Metrologia del CNR "Gustavo Colonnetti" di Torino. Ringrazio la Collega e Amica per avermi procurato una copia elettronica di questo saggio, e segnalo ai nuovi lettori che il testo della monografia non è stato 'aggiornato'.

 

 

 

INDICE DELLA MONOGRAFIA

      

INTENZIONI DI LETTURA

                                                                                              

0          LA BILANCIA DI LAVOISIER E QUELLA

DI LANDOLT                                                                                                          

 

1          IPOTESI CONTROVERSE

 

1.1              Dalton si confida

1.2              Dopo una escursione in pallone, Humboldt e Gay-Lussac...                                                                                                        

1.3       Un gran parlare di atomi e di molecole                                                          

1.4       Due eccentrici: Avogadro e Ampère                                                                         

 

2                    LUCI E PENOMBRE

 

2.1       La delusione di Dumas                                                                                  

2.2       La chiarezza di Gaudin                                                                                  

 

3          LA CONFUSIONE DELL'ANNO '60

 

3.1       Il regno di Berzelius                                                                                                  

3.2       Gli eretici in esilio. Gerhardt e Laurent                                                           

3.3       Cannizzaro filosofo e didatta                                                                         

3.4       I chimici a congresso                                                                                                

 

4          L'ARMONIA ELEMENTARE

 

4.1       In Inghilterra fantasia e derisione                                                                               

4.2       In Germania e in Russia il Sistema                                                                             

 

5          CON E SENZA TERMODINAMICA

 

5.1       Clausius leggeva poco                                                                                  

 

6          FINALMENTE CONTIAMO ATOMI E MOLECOLE

 

6.1       Si battezza la mole                                                                                                    

6.2       Si prende del mastice per il numero di Avogadro                                                       

6.3       Si fanno scintille per il numero di Loschmidt                                                   

 

7          SOTTO LA MOLE, OVVERO LA QUANTITA' DI SOSTANZA E IL SI

 

7.1       Il campione inesistente                                                                                  

 

  APPENDICE

 

INSALATA MISTA, FRA DIDATTICA E METROLOGIA

 

Epistemologia e storia della scienza                                                                           

Storia della scienza e didattica                                                                       

Didattica e metrologia                                                                                   

Metrologia e epistemologia                                                                                       

 

Note all'Appendice                                                                                                  

 

BIBLIOGRAFIA                                                                                                                


 

INTENZIONI DI LETTURA

 

“La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12”.

 

Una definizione trasparente come tutti gli oggetti della metrologia. Una trasparenza che è però legata alla nostra attuale ‘sensibilità’ culturale: all'inizio del secolo non si conoscevano gli isotopi e scienziati del livello di Ostwald si opponevano ancora ad una chimica-con-gli-atomi. Questa monografia fa rivivere alcuni momenti della ricerca che i chimici hanno condotto per rendere trasparente l'unità fondamentale della loro matrice disciplinare.

 

Prima di iniziare il racconto ho reso omaggio a Lavoisier e a Landolt, mettendo a confronto le loro esperienze sulla conservazione della massa nelle reazioni chimiche. Dato che la storia è multilineare si troverà ogni tanto qualche scarto temporale, ma nel complesso gli eventi fluiranno racchiusi in un secolo di chimica classica, tra il 1808 (legge di Gay-Lussac e pubblicazione del primo volume del NEW SYSTEM di Dalton) e il 1908 (misura del numero d’Avogadro da parte di Perrin in Francia e di Rutherford e Geiger in Inghilterra). I limiti sono come sempre arbitrari, ma ‘un secolo’ è una buona misura per una storia a maglie larghe.

 

Spero che i lettori non sobbalzino a leggere ‘peso’ in riferimento a kilogrammo o ‘2H2C2’, per indicare l'etile: Landolt scriveva Gewicht e Dumas era un ‘organico’ del 1827. Ho preferito mantenere i termini degli autori, confidando che i lettori, avvertiti, siano in grado di compiere le dovute traduzioni. Ho collocato in appendice una serie di osservazioni che spero possano dare qualche contributo alla didattica della metrologia.


0          LA BILANCIA DI LAVOISIER E QUELLA DI LANDOLT

 

... quels sont, dans le domaine de la chimie, les rapports du possible et du réel?

 

G. Bachelard, 1932 /99:68/.

 

Il problema della conservazione della massa fu affrontato da Lavoisier a partire dagli anni 1770, ripreso da Stas quasi un secolo dopo, e discusso a fondo da Landolt negli anni dal 1883 al 1908. Tra Lavoisier e Landolt non vi è un invalicabile abisso temporale: lo scienziato tedesco studiò con Mitschelich, nato nello stesso anno della morte prematura di Lavoisier, e formatosi con Berzelius, primo assertore della nuova teoria chimica in Svezia. Landolt quindi appartiene ad una terza generazione della ‘discendenza’ scientifica del grande francese.

Nel 1770 Lavoisier scriveva una memoria su “La natura dell'acqua e ... le esperienze con le quali si è preteso di provare la possibilità del suo cambiamento in terra” /56/. La natura del quesito che il nostro chimico si pone, e la risposta che dà, sono chiare fin dal titolo che abbiamo appena citato.

La domanda poteva essere formulata ancora oltre la metà del 700 sia per la stupefacente crescita della piante coltivate per anni senza perdita di peso apprezzabile del terreno (Van Helmont), sia per la testimonianza di chimici eminenti (Boyle). Lavoisier si dedica a risolvere il secondo aspetto della questione partendo proprio dai risultati di Boyle, che dopo duecento distillazioni consecutive (cette ennuyeuse opération, si commenta in /ib:8/) aveva affermato che “un'oncia d'acqua aveva dato sei dracme di terra bianca, leggera, insipida e indissolubile”.

Gli strumenti di Lavoisier sono due: un pelicano e una bilancia. Il pelicano era un recipiente panciuto, dal collo alto, ermeticamente chiuso, provvisto di due condotti capaci di ricongiungere il vapore ricondensato al corpo del preparato /144:137/; l'operazione che vi si eseguiva era la coobazione, tipica della pratica alchimistica (e farmaceutica): l'elisir distillato ricadeva in continuazione sui residui della materia di partenza. La bilancia, “molto esatta, costruita da Chemin, aggiustatore della Zecca /56:17/ ” era sensibile ad una parte su 50000 (un grano su 5-6 libbre). Lavoisier unisce creativamente due manipolazioni così diverse come una coobazione ed una pesata di precisione e giunge, dopo cento giorni di ebollizione, a constatare che non si è avuta né diminuzione né aumento di peso, /ib:21/ e che, per quanto riguarda la ‘terra’ che anch’egli aveva trovato (pesato) sul fondo del pelicano, essa è “la sostanza stessa del vetro che è suscettibile di soluzione nell'acqua”, sostanza che si depositava in quanto “esiste, come per tutti i sali, un punto di saturazione al di là del quale la soluzione non può più aver luogo” /ib:25/.

Lavoisier formalizzerà il principio della conservazione della massa solo una ventina di anni più tardi, quando al culmine della sua fama pubblicherà il suo TRAITE’ ELEMENTAIRE DE CHIMIE, come opera sistematica di propaganda delle sue teorie. Vi leggiamo:

 

“... si può porre per principio, che in ogni operazione havvi una quantità eguale di materia (quantité de matiére) avanti e dopo l'operazione; che la quantità e la qualità dei principi è la stessa, e che non vi sono se non che alcuni cambiamenti ed alcune modificazioni” /59,I:lll; 58,I:196/

 

Un secolo dopo Hans Landolt potrà trasformare il principio in problema inserendolo in un contesto teorico estremamente stimolante. Fin dal 1815 e 1816 l'inglese William Prout aveva avanzato l'ipotesi che tutti i pesi atomici fossero multipli interi di quello dell'idrogeno /83:330/, ed aveva collegato le sue opinioni alla tradizione classica: “potremmo quasi considerare la prwth nlh degli antichi come realizzata nell'idrogeno” /84:113/. Questa ipotesi era stata l'amore segreto di molti chimici, ma il peso atomico di parecchi elementi era inesorabilmente diverso da un numero intero o semi intero. Tuttavia Meyer, uno dei coscopritori del sistema periodico, aveva riproposto la questione dell’Urmaterie, supponendo che essa fosse unita negli atomi all'etere luminoso, “materia forse non completamente priva di peso” /66:293/. La congettura era piaciuta al geniale botanico svizzero Nägeli. Per Nägeli l'Urmaterie era costituita da particelle molto piccole, Ameren, riunite a miliardi in ogni atomo; questo inoltre era circondato da un “inviluppo di cosiddetto etere pesante o ponderabile” /52:2/. Questa versione era particolarmente ‘appetibile’ per Landolt in quanto gli innumerevoli corpuscoli di Nägeli potevano ‘giustificare’ qualsiasi frazione decimale trovata sperimentalmente nei pesi atomici; inoltre se si assumeva che “l'inviluppo di etere pesante dei diversi atomi chimici potesse essere di ineguale densità, allora, se nella molecola di un composto un elemento si scambia con un altro, anche la mutata quantità di etere ponderabile /doveva/ partecipare all'attesa variazione di peso” /ib.:3/.

 

L'ipotesi può sembrare troppo aperta, ma è lo stesso Landolt a ricordarci che esiste un limite inferiore, al di sotto del quale altri fattori incogniti possono entrare in gioco rispetto alla variazione di peso in seguito alla reazione. E’ proprio qui che la ricerca si irrigidisce in una tensione conoscitiva non rintracciabile nelle memorie di Lavoisier: Eötvös aveva dimostrato due anni prima (1891), nelle sue ricerche sul rapporto fra massa gravitazionale e massa inerziale /148:110-121/, che la "differenza di peso in corpi di eguale massa ma di sostanza diversa" è minore di una parte su 100000 nel caso aria-ottone, e che si scende al di sotto di una parte su 20000000 nel caso del confronto fra solidi /52:3/. Nell'articolo del 1893 Landolt studia cinque diversi sistemi, contenuti in recipienti di vetro ad U rovesciata, con i reagenti raccolti nei due bracci dell'apparato; al momento della reazione questo veniva capovolto, e si faceva la pesata di confronto. In ogni esperienza i recipienti impiegati erano due, di peso quasi identico, in modo da raddoppiare le misure utili ponendo sulla bilancia due masse ‘attive’. Con pesi complessivi dell’ordine del kilogrammo, e masse di reazione dell'ordine dei 100-200 g. Landolt registrò variazioni fra i 10-4e i 10-5 g; questo valore veniva a corrispondere a qualche parte su 107 nella zona di incertezza indicata da Eötvös. Le conclusioni furono obbligate: "Il risultato finale della ricerca è quindi che in nessuna delle reazioni impiegate si è potuta constatare con certezza una variazione di peso" /ib:33/. Landolt aggiungeva con una certa amarezza:

 

“... anche la questione che stava alla base dell’intero lavoro, e cioè se le variazioni del peso atomico da numeri interi dipendano o non dal fatto che nelle trasformazioni chimiche dei corpi una certa quantità di etere ponderabile esca o entri, quella questione è risolta in senso negativo. Con ciò si chiude l'ultima via d'uscita che rimaneva ancora aperta all'ipotesi di Prout” /ib:34/

 

Questo sembrava chiudere anche il filone di ricerca, ("Un'ulteriore continuazione della ricerca non mi sembra necessaria"), ma si era sulla soglia di grandi eventi. La scoperta della radioattività che impegnava Bequerel, e subito dopo molti altri, riponeva in movimento il fronte delle ipotesi sulla costituzione nell'atomo.

Nel 1901, sulla spinta decisiva di un lavoro di Heydweiller che sembrava confermare una diminuzione di peso, Landolt riprende la ricerca. Cinque anni dopo, a 74 anni pubblica i risultati in una nuova memoria, in cui viene formulata (e confermata) la nuova ipotesi

 

“... che in seguito alla violenta scossa che l'atomo subisce nelle reazioni chimiche, anche in elementi diversi da quelli radioattivi possa avvenire una scissione di qualche piccola parte della loro massa” /53:596/

 

La metodica delle esperienze rimane invariata, con un errore totale (non solo sulla pesata) stimato a ± 0,03 mg. Ora i risultati sembrano essere diversi; su un totale di 75 esperienze (comprese quelle di Heydweiller), 61, pari all'8%, mostrano una diminuzione di peso. Landolt può scrivere: "Quindi la diminuzione di peso rappresenta il fenomeno normale"/ib:619/ (sottolineatura nel testo).

 

Ma a quale nuovissima norma si riferisce il nostro chimico? Alla “ben fondata ipotesi” di Rutherford e Soddy “che l'origine della trasformazione [degli atomi radioattivi] risiede in una dissociazione a stadi degli atomi”. Nel caso in questione rimane da stabilire quali siano i frammenti atomici (Atombruchstücke) liberati durante le reazioni.

 

Tuttavia davanti a Landolt si poneva una nuova difficoltà rispetto all'ipotesi dell'etere ponderabile della ricerca dell'83; ora si ha a che fare con materia a tutti gli effetti, il cui passaggio attraverso le pareti del recipiente poteva apparire problematico. Per spiegare come “una parte della massa esca attraverso le pareti di vetro del recipiente” si può supporre che la grandezza delle particelle coinvolte, “poiché sono frammenti di atomo, sia molto al di sotto di quella delle solite molecole”, e poiché è dimostrato che a temperatura ambiente l'elio può infiltrarsi nel vetro (dati di Ramsay e Soddy) la strada è aperta a nuove indagini che correlino l'uscita di queste particelle alle proprietà dei gas.

 

Tuttavia una delusione definitiva attendeva Landolt. Nella sua terza e ultima comunicazione, venivano ricapitolati tutti i dati precedenti, aggiunte quattro nuove esperienze elettrochimiche, e condotta una diversa, stringente analisi dell'errore delle proprie esperienze. Il risultato è sconvolgente: mentre i dati prima indicavano un 75% di diminuzioni di peso oramai la frequenza cade ad un insignificante 53%. La conclusione è ancora una volta che la massa non varia durante la reazione /54:613/. A noi rimane ancora una piccola analisi da fare: l'elio passa effettivamente attraverso pareti di vetro e di quarzo, e Landolt, che ripeteva le sue pesate a distanza di giorni, aveva buoni motivi per assumere come possibile una 'perdita' di materia in questo modo molto 'sottile'. In un certo modo era stato più deciso e trascurato Lavoisier, che sulla base di dati molto meno elaborati aveva potuto scrivere nella sua seconda memoria sulla natura dell'acqua:

 

“ ... mediante distillazioni ripetute l'acqua non cambia affatto natura, e non acquista nessuna nuova proprietà, ben lontana dall'essere portata, come pensava Stahl, ad un tal grado di tenuità (tenuité) da poter scappare attraverso i pori del vetro" /56:25/.

 

L’opinione autorevole di un illustre predecessore veniva respinta, senza che si fosse provato direttamente che la quantità d'acqua iniziale si era mantenuta intatta durante i cento giorni di coobazione. L'inizio della carriera scientifica di Lavoisier fu più 'fortunato' della conclusione dei lunghi anni di lavoro di Landolt.

 


1          IPOTESI CONTROVERSE

 

... I do not know how these observations ... can be reconciled with the hypotesis of atoms: but it would be rash to conclude that we shall not be able hereafter to explain these apparent anomalies in a satisfactory manner.

 

                                                                                         J.J. Berzelius, 1813 /7:450/

1.1       DALTON SI CONFIDA

 

Thomas Thomson, il chimico inglese che più di ogni altro si adoprò per l'affermazione dell'ipotesi atomica negli anni appassionanti della sua prima formulazione quantitativa, scrisse nel maggio del 1814 che “La Natura non è così avara nei suoi doni da limitare le capacità di inventare e scoprire ad un solo individuo, o una nazione, o una classe della società” /93:338/. L'invenzione-scoperta cui si riferisce Thomson è appunto la teoria atomica, e l’“individuo” di cui si parla è Dalton. Così nel contesto di un articolo dove viene apertamente rivendicato il merito di John Dalton nel campo della chimica teorica, l'editore di ANNALS OF PHILOSOPHY chiarisce il suo pensiero già espresso nel dicembre del 1813: “Mr. Dalton per primo generalizzò la dottrina, e pensò di determinare il peso degli atomi dei corpi ... ma all'incirca nello stesso tempo parecchie altre persone erano state colpite dai numeri nella mia tavola degli ossidi metallici ... e la dottrina sarebbe stata certamente avviata da altri se Dalton l'avesse mancata” /nota in 7:445/ (v. anche Fig.1-1).

 

Con queste sue osservazioni Thomson (che scriverà più tardi un'importante storia della chimica /145/) ci colloca nel pieno di una duplice questione storiografica: il processo secondo cui un 'problema' scientifico giunge ad essere espresso come tale, le modalità con cui diversi scienziati avanzano, più o meno contemporaneamente, delle proposte di soluzione. Il caso in discussione (allora come adesso: /110, 125, 142, 143, /) si presta ad una moltitudine di interpretazioni perché tutti i personaggi principali sembrano aver fatto del loro meglio per confondere le tracce /135/, ma per i nostri attuali interessi può essere così impostato: quali sono state le forme del conoscere che hanno portato Dalton ad una teoria atomica con un preciso senso chimico? In quale struttura di ricerca - uomini e tecniche - si è inserito questo modo di pensare le 'particelle ultime'?