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La chimica e

il metodo sperimentale

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Tutti abbiamo guardato l’acqua che bolle in una

pentola, ma forse non abbiamo mai osservato

che le bolle appaiono improvvisamente e si

sviluppano dal fondo del recipiente.

La curiosità: guida della scienza

Di fronte alle multiformi manifestazioni del mondo, comunemente dette

“fenomeni” (dal greco fainómenon, “ciò che è visibile, che appare”),

ognuno di noi è, in genere, uno spettatore involontario. Il più delle volte,

infatti, guardiamo ciò che succede intorno a noi, ma non lo osserviamo.

Relativamente al fenomeno

dell’ebollizione ci si potrebbe chiedere,

per esempio:

• perché si formano le bolle?

• che cosa c’è al loro interno?

• come mai si originano dal basso?

• perché aumentano di numero e

dimensione quanto più riscaldiamo

l’acqua?

…

La chimica e la fisica, con il supporto

della matematica, sono in un certo

senso la base di tutte le scienze e

permettono all’uomo di interpretare i

fenomeni osservati e di penetrare nella

complessità degli eventi che accadono

intorno a lui, nelle dimensioni sia del

“molto grande” sia del “molto piccolo”.

Osservando tali fenomeni, possiamo

notare delle regolarità al loro interno,

che definiamo leggi, sulla base delle

quali possiamo rappresentarli

attraverso modelli che li

semplificano, secondo un approccio

noto come metodo sperimentale.

La chimica:

prospettive di sviluppo

La curiosità ha da sempre spinto l’uomo a interrogarsi

sul perché avvengano certi fenomeni, come per

esempio la combustione della legna o l’arrugginimento

del ferro. Tutte le domande che ci possiamo porre a

questo proposito ci conducono, però, a uno stesso

interrogativo: quali sono le proprietà delle sostanze che

ci circondano e secondo quali regole esse si

trasformano?

L’osservazione di ciò che è presente in natura, lo studio

del modo di ottenere i metalli, il tentativo di migliorarne

le caratteristiche, la scelta dei materiali più opportuni

per gli impieghi desiderati, la scoperta di nuove

sostanze hanno fornito conoscenze che, nel corso del

tempo, si sono andate organizzando nella chimica.

La chimica si è specializzata in differenti settori che rispondono a esigenze

diverse. Il suo sviluppo si è indirizzato agli ambiti della ricerca, della produzione

industriale e del controllo di parametri analitici per ogni sua branca specifica.

Un esperimento è un’esperienza

controllata, condotta in modo che sia

riproducibile da chiunque, in qualunque

luogo e in qualunque momento, purché

effettuata in condizioni identiche.

La chimica è una scienza sperimentale:

studio controllato dei fenomeni

La chimica è una scienza perché utilizza un metodo specifico chiamato

metodo sperimentale.

Ciò significa che è completamente fondata sull’evidenza sperimentale,

ossia che ogni sua affermazione si basa su esperimenti.

Vogliamo ora prendere in esame i punti salienti del modo di operare del

chimico basato sul metodo sperimentale.

Considera, per esempio, questo fatto, facilmente osservabile: gli oggetti

di acciaio comune, esposti all’aria umida, si ricoprono generalmente di

ruggine.

Immagina di voler capire perché questo accade.

Prima di tutto, è necessario osservare bene il fenomeno, per raccogliere

quanti più dati è possibile.

Un’indagine attenta e guidata dalla

curiosità, unita a qualche ricerca, potrebbe

portarti alle seguenti osservazioni:

Nota inoltre che l’arrugginimento

dell’acciaio è un fenomeno del

tutto generale, riscontrabile cioè

sempre e ovunque,

indipendentemente da cause

particolari come, per esempio, la

forma degli oggetti.

a. la ruggine si forma quasi esclusivamente

su oggetti esposti all’aria;

b. la sua formazione è più veloce in

presenza di acqua;

c. la ruggine, analizzata, mostra una forte

presenza di ferro;

d. il ferro è il componente principale

dell’acciaio.

Queste osservazioni ti consentono di descrivere dettagliatamente il

fenomeno e soprattutto di formulare un’ipotesi interpretativa:

“La ruggine si forma dall’interazione del ferro presente nell’acciaio

con l’aria umida.”

Per quanto evidente possa sembrare

un’ipotesi interpretativa, tuttavia, in accordo

con il metodo sperimentale essa non può

essere accettata come vera se prima non

viene controllata.

In questo caso, dovrai verificare se, nelle

condizioni specificate (acciaio + aria umida),

si produce effettivamente il fenomeno

(arrugginimento).

Per indagare il fenomeno dell’arrugginimento potresti allora, per esempio,

prendere un chiodo di acciaio ed esporlo a un ambiente umido, o

immergerlo in acqua.

Dopo poche ore, noterai sulla sua superficie alcuni punti rossastri, che

vanno espandendosi in chiazze.

È ruggine?

Puoi avere la sicurezza di aver riprodotto il fenomeno solo analizzando

la patina rossastra e verificando se si ottengono gli stessi risultati

raggiunti negli altri casi già esaminati. Qualora la patina non risultasse

ruggine, non saresti riuscito a riprodurre il fenomeno e dovresti

concludere che la tua ipotesi interpretativa era sbagliata. In tal caso

dovresti formulare una nuova ipotesi per spiegare la formazione della

ruggine e sottoporre anch’essa a nuove verifiche.

Se comunque desideri

raggiungere una

conoscenza più

approfondita, devi

prendere in considerazione

il fatto che l’aria è una

miscela costituita

prevalentemente da

ossigeno e azoto, oltre a

piccole quantità di altre

sostanze.

Potresti dunque ripetere

l’esperimento precedente

sostituendo all’aria solo

ossigeno o solo azoto.

Fe + O2 + H2O Fe2O3 + H2O

Osserveresti allora che la ruggine si forma solo in presenza di ossigeno.

La tua ipotesi interpretativa diverrebbe più o meno:

“La ruggine si forma dall’interazione del ferro presente nell’acciaio

con l’ossigeno atmosferico, in presenza di acqua”.

Questa ipotesi costituisce una buona descrizione del fenomeno, almeno

dal punto di vista qualitativo. Sinteticamente, potremmo esprimerla così:

ferro + ossigeno + acqua producono ossido ferrico idrato

dove “ossido ferrico idrato” è il nome chimico della ruggine; oppure,

utilizzando i simboli propri della chimica, che diverranno chiari in seguito:

Quello che ancora ti manca è capire quanta acqua e quanto ferro sono

necessari perché si formi la ruggine. Ti serve, cioè, una descrizione

anche quantitativa del fenomeno.

Dovresti allora preparare una serie di esperimenti simili ai precedenti,

ma nei quali variare in modo controllato le quantità di ferro, di

ossigeno e di acqua impiegate, da misurare ogni volta con precisione.

Arriveresti in tal modo alla seguente espressione:

Sei giunto insomma a formulare una legge che descrive esattamente

quanto succede e consente di fare previsioni che, verificate

sperimentalmente, risultano corrette.

Un’assunzione fondamentale della ricerca scientifica è che i fenomeni

naturali obbediscano a poche leggi del tutto generali.

Si tratta allora di trovare delle uniformità nelle osservazioni, pur

distinguendo ciò che differenzia tra loro i fenomeni.

Una volta formulata, una legge, grazie al suo potere predittivo, permette

di fare nuove ipotesi e spesso fornisce spunti per nuove osservazioni,

che conducono a formulare nuove leggi.

Così fu, per esempio, per le più importanti e note leggi della fisica, come

la legge di Newton o la legge di Ohm, e della chimica, come la legge

di Lavoisier.

Per individuare le regolarità cui sono soggetti i fenomeni, tuttavia, la

semplice osservazione spesso non è sufficiente. I dati sperimentali

raccolti grazie a essa vanno infatti elaborati e interpretati.

Per farlo, la chimica, come tutte le scienze, fa uso di tabelle e grafici.

Questi ultimi, in particolare, aiutano a evidenziare l’andamento dei valori

riscontrati, mettono in luce i dati più significativi e quelli discordanti. Si

possono così più facilmente scoprire le eventuali regolarità che legano

tra loro le grandezze osservate.

Una legge trovata

sperimentalmente descrive

correttamente un fenomeno (o una

classe di fenomeni).

Essa permette cioè di descrivere

che cosa succede quando quel

fenomeno si manifesta.

Ma la legge non spiega perché

avviene il fenomeno che descrive.

E quando più leggi concernono

fenomeni simili, cerchiamo in che

modo possano essere correlate tra

loro. Ne cerchiamo cioè delle radici

comuni, che possano spiegarle.

In tutti questi casi, siamo spinti a

formulare un’ipotesi più ampia e

articolata, una teoria, che possa

spiegare tutti i fenomeni descritti

dalle diverse leggi trovate.

Per tornare all’esempio della ruggine, potresti progettare nuove

esperienze, analoghe a quelle condotte, per studiare il comportamento

dell’acciaio in presenza di altre sostanze, diverse dall’acqua.

Individueresti così una serie di

leggi capaci di descrivere, nel

loro insieme, il comportamento

generale del ferro (che, come

ricorderai, è il principale

componente dell’acciaio).

Si possono ‘unificare’, cioè

ricondurre a una spiegazione

comune?

La risposta è sì: esiste una teoria che spiega il comportamento del ferro

in tutti i casi studiati. Essa, tuttavia, rimanda alla struttura intima delle

particelle (atomi) che costitueiscono la sostanza “ferro” e richiede,

dunque, conoscenze che ancora non hai, ma che acquisirai nel seguito

di questo Corso.

In base al metodo scientifico, una teoria è

considerata corretta fino a quando riesce a

spiegare tutti i fenomeni osservati e a

formulare previsioni corrette su fenomeni

nuovi.

Quando si osservano fenomeni che la

contraddicono – ovvero che, come si dice,

la falsificano – la teoria va abbandonata.

Ricorda che un numero qualunque di

verifiche positive, per quanto grande sia,

non è sufficiente a far accettare come

valida in modo definitivo un’ipotesi o una

teoria: basta infatti una sola prova

contraria per falsificarla, vanificando

quanto accettato fino a quel momento.

Secondo la definizione oggi più diffusa, una

teoria può dirsi scientifica solo se è

falsificabile, ossia solo se è possibile

smentirne sperimentalmente le previsioni.

Una nuova via: la chimica sostenibile

A causa anche di incidenti quali quelli di Bhopal, la chimica è spesso

associata, nei mezzi d’informazione, all’inquinamento e al pericolo.

La chimica viene messa in relazione con la contaminazione di vaste

aree per la fuoriuscita di petrolio,

le piogge acide,

la corrosione dei monumenti,

l’inquinamento da metalli.

Essa, però, è anche la scienza dei motori a idrogeno,

delle sostanze che combattono l’inquinamento e che aumentano la

produttività dei terreni,

dei prodotti ignifughi,

dei farmaci salvavita.

È anche la scienza dell’aria pulita e dell’acqua pura, necessarie alla

nostra stessa vita.

Oggi è necessario sperimentare con urgenza nuove vie per migliorare

i processi di trasformazione chimica, ottimizzando il recupero di

materiali e di energia.

Non mancano esempi virtuosi, che però prevedono ancora costi elevati

e non hanno trovato il pieno e consapevole coinvolgimento dei cittadini.

Ne sono esempio i nuovi inceneritori, che consentono di smaltire i rifiuti

nel pieno rispetto dell’ambiente.

Sarà anche grazie al nostro impegno se in un futuro prossimo potremo

renderli competitivi con gli impianti e i sistemi attualmente in uso.

La chimica dà all’uomo il potere di agire sul mondo che lo circonda.

Solo una buona

conoscenza della

chimica e dei suoi effetti

permette di cercare il

migliore compromesso

fra rischi e vantaggi e di

agire di conseguenza.

Maggiore è il potere,

però, maggiore è

anche il rischio a cui

un suo cattivo

impiego ci espone.

Per limitare i rischi, inoltre, molti ricercatori e molte aziende si sono dati

un codice etico di comportamento che, in qualche caso, è addirittura

più restrittivo delle leggi di controllo promulgate dai Paesi nei quali

operano.

L’Accademia dei

Lincei, fondata nel

1603, è la più antica

accademia scientifica

del mondo; annoverò

tra i suoi primi Soci

Galileo Galilei.