Lavoisier - Nasce la chimica moderna

Angelo Gavezzotti, AA.VV., Angelo Gavezzotti

• Editore: Pelago
• Anno: 2021
• ISBN:
  9791280714862
• Argomento: Physical Sciences
• Categoria: Chemistry

All'epoca della Rivoluzione francese, Antoine-Laurent de Lavoisier ne mette in atto un'altra, meno clamorosa, ma altrettanto fondamentale: quella della chimica. Armato di bilancia e rigore scientifico, affronta una mole incredibile di esperimenti che gli permettono di spazzare via le antiche credenze e le superstizioni di derivazione alchemica. Demolisce la teoria del flogisto, all'epoca universalmente accettata per spiegare i processi di combustione e ossidazione. Dimostra che l'acqua non è un elemento indivisibile, ma è formata da ossigeno e idrogeno. Stabilisce la divisione fra le "sostanze semplici" (gli elementi chimici di oggi) e i composti, che classifica e denomina, delineando le basi della chimica che conosciamo. Prima di essere ghigliottinato all'età di cinquantun anni, riesce a formulare il principio di conservazione della materia: uno dei pilastri fondanti della scienza moderna.

FOCUS

L’IMPORTANZA DI LAVOISIER

«È bastato un momento per tagliare quella testa, e forse non basterà un secolo per generarne un’altra pari alla sua».

Joseph-Louis Lagrange

Gli scienziati non sono tutti uguali. Come ogni altra categoria nel vasto universo del genere umano, sono diversi per mentalità innata, per educazione, per temperamento; sono soggetti a pressioni esogene ed endogene, psicologiche e materiali; si differenziano infine per quantità e qualità dei risultati raggiunti. Alcuni vivono una vita intera in minuziosa osservazione di un particolare fenomeno, altri sono più volubili e applicano la loro mente indagatrice a soggetti sempre diversi. Alcuni pensano lentamente, con pedante analisi di ogni aspetto del problema e con ricerca della massima accuratezza, altri dipingono, per così dire, a pennello grosso, sorvolando i dettagli e giungendo a conclusioni rapide pur se meno circostanziate. Molti sono ricordati e seguiti, altri sono più o meno giustamente relegati nell’oblio.

E poi ci sono le grandi menti unificatrici, che si contano sulle dita di una o due mani. Come James Clerk Maxwell, che ha compreso che elettricità e magnetismo sono interdipendenti, scrivendo in quattro equazioni matematiche le basi dello sviluppo di quasi tutta la nostra tecnologia. Come Isaac Newton, il quale ha stabilito che la massa di un corpo è pari al rapporto tra forza applicata e accelerazione risultante, e ha compreso che la forza che fa cadere una mela dall’albero è la stessa che tiene la Luna in orbita attorno alla terra. Come Galileo Galilei, che si è reso conto che quel che vedeva nel suo cannocchiale erano crateri lunari o satelliti di Giove piuttosto che vaghe chimere aristoteliche. Imprese intellettuali che nel campo delle arti della parola o dell’immagine darebbero ai loro padri la fama di poeta, e che invece applicate alle scienze naturali ne fanno i capostipiti della comprensione profonda del mondo che ci circonda con ricadute pratiche secolari.

Antoine-Laurent Lavoisier appartiene a quest’ultima categoria. Innanzitutto, era lettore accanito e critico dei lavori dei suoi predecessori, il primo marchio del grande scienziato. Poi, era uno sperimentatore paziente, accurato, infaticabile; infine, era dotato appunto di quel qualcosa in più, siano essi circuiti cerebrali misteriosamente efficienti, o sia più semplicemente la costanza nel leggere e rileggere appunti di laboratorio perfettamente creati e conservati, altro carattere distintivo del ricercatore di gran vaglia. Quel qualcosa che permette di racchiudere mentalmente in un unico corpo concettuale un insieme di dati e di fatti disparati, di separare il grano dal loglio e di giungere alla formulazione di una teoria che spiega fatti noti e permette di prevedere fatti non ancora avvenuti. Paradossalmente si potrebbe dire che la prima e più importante “scoperta” di Lavoisier sia stata l’uso della bilancia (vedi figura); di questo umile strumento ha fatto il cardine di un’indagine che ha a poco a poco trasformato una scienza spesso solo qualitativa, confusa e contraddittoria, in una chimica rigorosa e soprattutto quantitativa.

Lavoisier sta alla bilancia come Galileo sta al cannocchiale; entrambi hanno usato strumenti già ben noti, ma vedendo e capendo cosa vedevano. Non cosa da poco.

Pesi, dunque, e misure. Il mercurio ha sempre affascinato gli studiosi delle scienze naturali per quel suo essere al contempo metallo e liquido, quasi possessore di virtù speciali e persino magiche, e per questo tanto caro agli alchimisti. Per Lavoisier il mercurio è un materiale come tanti altri, comodo e disponibile per un’esperienza semplice. Lo brucia sotto normale aria atmosferica, ottiene quella che lui chiamava una calce (ossido di mercurio, la combinazione del metallo con l’ossigeno) e pesa il tutto prima e dopo la combustione. Poi prende la stessa calce pura, la scalda vigorosamente e ritrova lo stesso mercurio più aria; e ripesa il tutto, scoprendo che il peso così ottenuto è identico al peso di partenza.

Banale? forse per noi; ma questa esperienza è la chiave che lo conduce a scrivere a chiare lettere quello che oggi va sotto il nome di principio di conservazione della materia. Molti ricercatori prima di lui lo avevano vagamente intravisto nel corso delle loro esperienze, ma Lavoisier è il primo a rendersi conto di ciò che questo principio significa e di come può essere usato per rendere razionalmente comprensibili gli eventi chimici (ancora una volta, sotto sotto, la bilancia).

Si legge nel Capitolo XIII del suo Trattato Elementare di Chimica (1789):

“POSSIAMO PORRE COME INCONTESTABILE ASSIOMA CHE IN TUTTE LE OPERAZIONI DELL’ARTE E DELLA NATURA NULLA VIENE CREATO; UN’UGUALE QUANTITÀ DI MATERIA ESISTE PRIMA E DOPO L’ESPERIMENTO; LA QUALITÀ E QUANTITÀ DEGLI ELEMENTI RIMANE PRECISAMENTE LA STESSA E NULLA ACCADE OLTRE A CAMBIAMENTI E MODIFICHE NELLA COMBINAZIONE DI QUESTI ELEMENTI.¹”

E così proseguiva: «Da questo principio dipende l’intera arte della sperimentazione chimica. Dobbiamo sempre supporre un’esatta uguaglianza tra gli elementi del corpo esaminato e quelli dei prodotti dell’analisi».

Assieme al principio di conservazione dell’energia, alla scoperta del quale il nostro scienziato è andato molto vicino, la conservazione della materia (o meglio della massa-energia) è tuttora uno dei cardini della scienza.

A proposito delle combustioni (o calcificazioni, come venivano allora chiamate) la teoria di gran lunga prevalente ai tempi era quella del flogisto. Secondo questa strana idea un metallo si trasformava in ossido perdendo flogisto e l’ossido si poteva trasformare di nuovo in metallo assorbendo flogisto dal carbone. Un combustibile carbonioso perdeva flogisto trasformandosi in cenere. Poco importava che ci fossero alcuni problemi non trascurabili dal punto di vista epistemologico, dello sviluppo corretto del sapere: in primo luogo, il flogisto era a volte sostanza, a volte spirito, e nessuno aveva mai potuto isolarlo; per di più, questo misterioso ente poteva avere di volta in volta peso positivo o peso negativo. Con un metaforico tratto di penna d’oca, Lavoisier conclude che il flogisto non esiste. Così scriveva nelle Riflessioni sul flogisto, del 1783:

“MA SE TUTTO SI SPIEGA IN CHIMICA IN MODO SODDISFACENTE SENZA RICORRERE AL FLOGISTO, È INFINITAMENTE POSSIBILE CHE QUESTO PRINCIPIO NON ESISTA, CHE SIA UN ENTE IPOTETICO, UNA SUPPOSIZIONE GRATUITA; È NEI PRINCIPI DELLA BUONA LOGICA NON MOLTIPLICARE GLI ENTI SENZA NECESSITÀ.”

Si tratta di un chiaro esempio di applicazione del cosiddetto “rasoio di Occam”, uno dei cardini della razionalità scientifica moderna (benché dovuto al francescano inglese del Trecento Guglielmo di Occam, o Ockham), che stabilisce l’inutilità di formulare più ipotesi di quelle che sono strettamente necessarie per spiegare un dato fenomeno e comunque l’opportunità di scegliere la più semplice tra le varie ipotesi possibili. Difatti Lavoisier procede oltre e dimostra che gli equilibri tra metalli e ossidi sono invece regolati da quello che lui già chiama “principio ossigeno”, aprendo la via alla teoria moderna della combustione.

A volte più della scoperta di qualcosa di nuovo giova alla scienza l’allontanamento di qualcosa di vecchio e inutile.

Ma c’è di più. In un’esperienza di esemplare chiarezza e semplicità, Lavoisier porta una quantità accuratamente pesata di vapore acqueo a contatto con un filo di ferro arroventato al calor rosso. Al contatto col metallo l’acqua si decompone: il ferro forma una calce (ossido), bloccando il “principio ossigeno”, mentre in una campana in cui è stato fatto il vuoto viene raccolto un altro gas, che si scopre essere idrogeno, dato che è facilmente incendiabile e persino esplosivo. Pesando il filo di ferro prima e dopo la calcificazione si ottiene la quantità di ossigeno contenuta nell’acqua e per sottrazione si ottiene la quantità di idrogeno.

Ecco dimostrato che l’acqua non è un elemento semplice, come aveva alquanto ingenuamente insegnato Aristotele e come altrettanto ingenuamente si era continuato a credere per secoli e ancora da molti si credeva. Non solo, ma il rapporto in peso tra idrogeno e ossigeno viene determinato con precisione assoluta. Poi, quasi a prendersi gioco dei suoi confusionari colleghi, Lavoisier riprende i due gas e li ricombina dimostrando che da essi si può riottenere acqua pronta da bere.

Come si è visto, bilancia e conservazione della materia sfatano un pregiudizio secolare e, cosa ancor più rilevante, aprono la via a una definizione precisa del concetto di elemento chimico.

È forse questa la più grande intuizione, o scoperta, di Lavoisier: l’aver significato chiaramente ai posteri che la chimica è analisi e sintesi, scienza che studia i modi in cui i composti possono essere scissi negli elementi, i quali a loro volta possono essere ricombinati per dare luogo ad altri composti senza che nulla si perda e nulla si crei.

Questa visione, che oggi sembra ovvia ma che allora era rivoluzionaria, darà per esempio il colpo di grazia alle teorie vitalistiche (secondo le quali i componenti chimici degli esseri viventi si distinguevano da quelli della “materia inerte” per la presenza di un “soffio vitale”) quando nel 1828 il chimico tedesco Friedrich Wöhler sintetizzerà l’urea, un composto organico prodotto nel corpo animale, a partire solamente da sostanze elementari inorganiche non appartenenti al regno degli esseri viventi.

La via per arrivare all’elenco completo degli elementi chimici era ancora lunga, ma ci sono pochi dubbi che Lavoisier l’avrebbe percorsa con successo se un pugno di torvi assassini non avesse deciso di tagliargli la testa per futili motivi all’ancor verde età di cinquantun anni. In un fulgido esempio di ideologia rivoluzionaria sembra che Marat avesse avviato il processo di calunnia che condusse Lavoisier a fine immatura accusandolo «di aver scoperto che l’acqua è fatta di acqua». Il secco rumore di una ghigliottina caduta ha quasi sicuramente ritardato di almeno un secolo lo sviluppo della chimica come scienza a titolo pieno e indiscusso.

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¹Salvo dove diversamente indicato, tutte le traduzioni dei testi di Lavoisier sono a cura dell’Autore

LE OPERE SCIENTIFICHE

Genio quanto mai poliedrico, scrittore brioso e piacevole anche se spesso prolisso come si usava ai suoi tempi, ma sempre attento al dettaglio scientifico, Lavoisier ha lasciato abbondante testimonianza scritta delle sue multiformi attività sotto forma di due trattati maggiori, di un grande numero di memorie e rapporti, di corrispondenza varia e di appunti di laboratorio.

Fin dal 1836 il chimico accademico Jean-Baptiste Dumas, uno degli eredi spirituali di Lavoisier, intraprese la pubblicazione di una grande edizione nazionale di tutte le sue opere. L’impresa non era ovviamente delle più semplici, ma dopo parecchi tentativi meno fruttuosi il Ministero dell’Istruzione Pubblica diede finalmente un supporto tangibile, e tra il 1861 e il 1868 poteva comparire un’edizione quasi completa delle opere maggiori, a cui i discendenti hanno contribuito rendendo noti molti documenti degli archivi di famiglia. Scomparso Dumas nel 1884, ulteriori complementi delle memorie scientifiche furono riuniti e pubblicati tra il 1892 e il 1893. Il risultato finale consta di ben 4594 pagine in sei volumi.

Mancavano ancora all’appello le lettere personali e la corrispondenza scientifica, che dopo lunghe traversie, dovute anche alle conseguenze dell’affare Dreyfus e di due guerre mondiali, sono infine state oggetto di edizione critica nel corso dei decenni successivi, fino al 1997. Manca purtroppo tuttora un’edizione critica dei quaderni di laboratorio, cosa comprensibile dato che si tratta con ogni probabilità di materiale di difficilissima interpretazione. E soprattutto non è ancora stata portata a termine l’edizione del manoscritto intitolato Mémoires de physique et de chimie, il nuovo trattato a cui Lavoisier stava lavorando quando la sua testa cadde sotto la ghigliottina, diffuso in via confidenziale dalla moglie nel 1805 pochi anni dopo la morte del marito. Sono a tutt’oggi in corso tentativi per rendere questo materiale disponibile in forma critica, presumibilmente avendo a che fare con difficoltà quasi insormontabili per la definizione delle scadenze temporali e la verifica dell’autenticità; è probabile però che in quelle pagine ancora sconosciute ci sia materiale che renderebbe Lavoisier ancor più grande di quanto già non sia.

La costanza con cui la sua patria rende omaggio al suo geniale figlio è comunque testimoniata dal fatto che il Cnrs (il Consiglio nazionale della ricerca scientifica francese) ha curato la resa in formato elettronico dei due trattati maggiori e di quasi tutte le memorie e i rapporti, oggi consultabili gratuitamente da chiunque sotto forma di copie digitali dell’originale e di testo trascritto (vedi il capitolo Approfondimenti).

RAPPORTI SCIENTIFICI E VITA VISSUTA

Sono parecchie decine, forse un centinaio e più, le Mémoires e i Rapports presentati da Lavoisier nel corso di tutta la sua vita in varie sedi, soprattutto all’Accademia delle scienze di Parigi. Questi documenti sono l’equivalente delle moderne pubblicazioni scientifiche nelle riviste nazionali e internazionali e offrono una panoramica di fatti, oggetti, modi, indagini ed esperienze fisiche: ma a differenza dei loro asettici equivalenti odierni contengono spesso connotazioni personali, polemiche, riferimenti ai tempi e alle situazioni, diventando così ritratti di ambiente e di rapporti umani di straordinario valore sia scientifico che storico in generale, utili per tratteggiare la temperie culturale e sociale del tardo Illuminismo tanto quanto, e forse più delle testimonianze puramente letterarie.

Uno dei meriti della rivoluzione culturale settecentesca e dei suoi proseliti napoleonici è l’aver dato alla cultura scientifica altrettanta importanza di quanta se ne desse alla cultura letteraria e filosofica.

Molte di queste memorie sono di argomento strettamente scientifico con la descrizione di nuove esperienze e deduzioni originali circa le combinazioni chimiche. Molte altre sono invece dedicate ad argomenti contingenti, in relazione anche abbastanza lontana con la chimica e la fisica: i mezzi recenti per l’illuminazione stradale e le sale da spettacolo, i migliori modi per rifornire Parigi di acqua pura, le analisi della composizione e delle qualità delle acque minerali.

Un’altra cospicua parte di questi contributi è dedicata allo studio dei sedimenti e alla geologia, con vivaci racconti di come il nostro scienziato si aggirasse nei dintorni di Parigi scavando tagli nelle colline per rivelarne gli strati, annusando e saggiando la terra e rubando sassi, sabbie e argille da cantieri di costruzione, dalle cave o dai fossati. Ancora, ci sono minuziose analisi delle caratteristiche e delle prestazioni di strumenti scientifici vecchi e nuovi, come le enormi lenti ustorie, di diametro fino a un paio di metri, utilizzate per concentrare la luce solare e fornire calore agli esperimenti senza bisogno di fiamma, con le quali Lavoisier e i suoi collaboratori sperimentarono tra l’altro la combustione del diamante; o l’anenometro per la misura quantitativa della forza dei venti e l’areometro per misurare le densità dei liquidi, indispensabile complemen...

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