CHIMICA DESCRITTIVA*

 

Henry A. Bent*, Brian E. Bent**

*North Carolina State University, Raleigh, NC 27650, **University of California at Berkeley, Berkeley, CA 94720

 

*Articolo riprodotto con autorizzazione da Journal of Chemical Education, 1987, 64, 249.

Traduzione di Paolo Mirone

 

"Un nome deve significare qualcosa?" chiese Alice dubbiosa. "Naturalmente" rispose Humty Dumpty (Lewis Carroll, Attraverso lo specchio).

 

Introduzione e sommario

Il commento di Pauli

I chimici sono soliti distinguere tra chimica teorica e chimica descrittiva.  Questa distinzione non piaceva a Pauli. Secondo lui la chimica teorica non era molto teorica: "per usarla bisogna conoscere troppa chimica". Il commento di Pauli è molto simile alla tesi centrale del presente articolo: Bisogna conoscere molta chimica descrittiva per utilizzare nel modo giusto la teoria chimica.  D'altra parte neppure la chimica descrittiva è molto pura.  Bisogna conoscere molta chimica teorica per descrivere la chimica chimicamente.

 

La tesi di Whevell

Gli sforzi per distinguere tra chimica teorica e chimica descrittiva spingono la didattica della chimica verso l'uno o l'altro di due estremi:

 

Tesi prevalente: La chimica teorica è il vertice del pensiero chimico; perciò la chimica teorica è la chimica più importante da insegnare.

 

Antitesi riemergente: La chimica descrittiva è il fondamento del pensiero chimico; perciò la chimica descrittiva è la chimica più importante da insegnare.

 

Noi proponiamo la seguente sintesi: La chimica teorica e la chimica descrittiva sono fondamentalmente la stessa cosa.  Entrambe descrivono la chimica. Entrambe usano termini teorici.  La differenza fra le due sta nel grado di familiarità.  Molti anni fa Whevell osservò che un fatto è una teoria familiare [1].  Oggi si considera un fatto che la sostanza chiamata "cloro" dai chimici sia un elemento.  Ma c'è stato un tempo in cui questa idea era considerata una improbabile congettura sostenuta seriamente da un solo chimico, Sir Humphry Davy.

 

Lo snobismo dei chimici

La "chimica descrittiva" usa termini teorici familiari: solido, liquido; colorato, incolore; reattivo, non reattivo.  La "chimica teorica" usa termini descrittivi meno familiari: cella unitaria, funzione di distribuzione radiale; spettro di assorbimento, probabilità di transizione; energia di attivazione, energia libera.  Purtroppo la familiarità alimenta il disprezzo.  Nei testi di chimica generale la chimica descrittiva è generalmente relegata in fondo al libro, mentre la chimica teorica, tenuta in maggiore considerazione e meno familiare, è collocata al principio.  Per molti studenti il risultato è troppa chimica poco familiare troppo presto e troppo in fretta.

È vero che, come suggerivano Eyring, Walter e Kimball nella loro introduzione alla meccanica quantistica, i lettori non dovrebbero confondere la mancanza di familiarità con l'intrinseca difficoltà.  D'altra parte gli insegnanti dovrebbero sapere che la familiarità non va confusa con l'intrinseca facilità e la mancanza di complicazioni.

Il problema è che lo spettro della familiarità è quasi continuo: acido, base; elettrofilo, nucleofilo; coordinativamente non saturo, più alto orbitale molecolare occupato.  È facile che, a passi inavvertiti, la chimica teorica di ieri diventi per i chimici – ma non per gli studenti di chimica principianti – la chimica descrittiva di domani.  Si dimentica facilmente che ciò che ora è familiare un tempo era non familiare.  Tuttavia, questa panoramica del pensiero chimico chiarisce solo in parte la questione su che cos'è la chimica descrittiva.

 

Il "Vedere" di Hanson

Ogni parte della chimica, in qualsiasi modo sia considerata, come chimica descrittiva o teorica, come chimica elementare o avanzata, è sempre, come la vedono i chimici, l'unione di due cose; pensieri e sensazioni.  Per i chimici la chimica non consiste puramente di combinazioni verbali di termini familiari o di manipolazioni matematiche di termini astratti.  Né, d'altra parte, la chimica consiste di esplosioni impressionanti o di subitanei cambiamenti di colore.

La chimica in quanto chimica consiste di fenomeni chimici descritti chimicamente. Come direbbe Hanson, la chimica descrittiva consiste nel vedere le sostanze e le trasformazioni chimiche così come le vedono i chimici – otticamente, come è ovvio, e inoltre teoricamente, con gli occhi della mente [2].  Per descrivere l'attività, carica di teoria, di vedere e descrivere la chimica così come la vedono i chimici, useremo l'espressione Chimica Descrittiva.

 

La reazione di Remsen

Il comportamento del rame

II modo migliore per iniziare la Chimica Descrittiva con la D maiuscola consiste in una dimostrazione della natura della Natura – secondo le parole di Heidegger, in uno svelamento dell'essere [3].  La Chimica Descrittiva è vedere che, secondo le parole di Remsen, "l'acido nitrico agisce sul rame".  Chimica Descrittiva è vedere, anche prima che il rame e l'acido nitrico siano fatti interagire, che non c'è reazione. Non c'è reazione visibile, a temperatura ambiente, fra "rame" in massa e "aria".

Chimica Descrittiva è vedere che il "rame" è un "metallo nobile". È vedere che, come dicono i chimici, "il rame (in massa) non è ossidato facilmente dall'ossigeno molecolare".  (Pochi studenti di chimica principianti, vedendo una monetina di rame, penserebbero questo).  Chimica Descrittiva è vedere che, chimicamente, il rame somiglia agli altri metalli da conio, "argento" e "oro". È vedere che, se i metalli pesanti sono elencati in ordine di densità crescente, c'è una ripetizione delle proprietà chimiche: il rame è seguito dopo un intervallo dall'argento e poi dall'oro. È vedere, grossolanamente ma acutamente, che la reattività chimica può avere una periodicità. È vedere ciò che vedevano i chimici ben prima della scoperta dell'elettrone, della fisica quantistica e del principio di aufbau, cioè che tre degli elementi conosciuti dagli antichi appartengono allo stesso gruppo del sistema periodico. 

 

Chimica Descrittiva è vedere, molto prima di arrivare alla chimica fisica e alla funzione di Gibbs, che in generale esiste una correlazione fra le stabilità degli ossidi metallici e le date di scoperta dei rispettivi metalli: meno stabile è l'ossido, più antica è la scoperta del metallo.  È vedere, in altri termini, che i metalli nobili hanno una tendenza relativamente piccola a donare elettroni all'ossigeno molecolare.  È vedere che, fra i metalli, rame argento e oro hanno elettronegatività relativamente alte.  I loro cationi sono agenti ossidanti relativamente buoni.  Spesso essi agiscono da accettori di elettroni nelle celle galvaniche.  Chimica Descrittiva è vedere, prima di arrivare alla chimica inorganica avanzata, le manifestazioni di importanti aspetti della teoria degli acidi e basi duri o molli.  È vedere, più tardi, che nel caso del rame e dei suoi congeneri gli elettroni del guscio di valenza altamente polarizzabile degli elementi metallici sono, per così dire, migliori leganti per noccioli atomici "molli" ("bitorzoluti") tipo d10 di quanto siano i meno polarizzabili, "duri" ("più lisci") ioni ossido.

 

Il comportamento dell'acido nitrico

Chimica Descrittiva è anche vedere che l'acido nitrico è un liquido incolore.  Ciò è sorprendente. Le sue molecole sono piuttosto piccole.  Esse devono essere particolarmente attaccaticce le une rispetto alle altre.  Vedere che l'acido nitrico è un liquido è vedere, con l'aiuto di un chimico, l'importanza del legame a idrogeno.  È vedere, come vedono i chimici, l'acidità di Lewis e la elettrofilicità dei protoni dei gruppi idrossilici attivati e la basicità e nucleofilicità dei doppietti solitari sull'ossigeno.  È vedere, come vedono gli spettroscopisti, l'assenza di uno spettro nel visibile.  Cioè vedere un grande intervallo di energia tra il più alto orbitale molecolare occupato (HOMO) e il più basso orbitale molecolare non occupato (LUMO) nelle molecole a guscio chiuso e obbedienti alla regola dell'ottetto formate da atomi elettronegativi. 

 

È vedere, come vedono i chimici fisici, la differenza tra stabilità cinetica e stabilità termodinamica.  È vedere nella resistenza passiva di aria e acqua a formare acido nitrico la differenza tra le energie libere di attivazione e quelle di reazione.  È vedere, come vedono i biochimici, il ruolo degli enzimi negli organismi nitrificanti.  Ed è vedere, come vedono i chimici industriali, il ruolo dei catalizzatori omogenei ed eterogenei nella fissazione dell'azoto atmosferico.

Chimica Descrittiva è vedere il Tao della Chimica nelle profondità di ogni cosa.  Tutto questo "vedere" può sembrare ricercato.  Ed è realmente così.  Nella scienza non esistono esperimenti cruciali, sosteneva Duhem, ma soltanto esperimenti più o meno indicativi della via del vedere scientifico [4].  Lo scopo della Chimica Descrittiva è rendere familiare un vedere scientifico ricercato mediante l'uso concreto e frequente di termini e immagini scientifiche.

 

Chimica Descrittiva con la D maiuscola

Chimica Descrittiva è vedere che cosa sono in realtà le sostanze chimiche: solidi, liquidi e gas in stati stazionari dell'essere, con modi caratteristici del divenire chiamati "proprietà".  È vedere l'esistenza di stati delle cose definiti e caratterizzabili, ai quali gli scienziati attribuiscono autofunzioni uniche e nomi distintivi: "rame", "acido nitrico" [5].  In principio erano parole, e nomi per le sostanze pure.  E questo fu l'inizio della Chimica Descrittiva.  Chimica Descrittiva è vedere che, come diceva Humpty Dumpty, un nome significa qualcosa di definito"Rame" è un solido color rame a temperatura e pressione standard, "acido nitrico" è un liquido incolore.  La Chimica descrittiva è una storia naturale degli stati stazionari.  Ma questo non è tutto.  La Chimica Descrittiva è qualcosa di più che fare una raccolta di dati chimici.  È qualcosa di più che dare un nome alle sostanze pure.  La Chimica Descrittiva è soprattutto vedere i cambiamenti di nome. È vedere "prodotti" formati a partire da "reagenti".  È vedere, nel linguaggio della fisica quantistica, transizioni quanto-meccaniche tra stati stazionari.  In breve, è vedere la reattività chimica.

È anche vedere nel colore blu degli  ioni rame idratati", una delle ragioni a favore della teoria del campo dei leganti.  È vedere (una volta di più) gli effetti degli elettroni d negli atomi metallici e dei doppietti solitari basici negli atomi non metallici.  E nel "diossido d'azoto" gassoso è vedere, disponendo di un dimostratore intraprendente, le molte immagini chimiche che possono essere evocate dall'Esperimento della Bottiglia Marrone [6].

In sintesi, la Chimica Descrittiva è istruzione in linguaggio modernoÈ penetrante ed espressiva.  È, secondo le parole di Gibbs, un’appropriata espressione delle "resistenze passive" e delle "tendenze attive" della Natura [7].  In un certo senso, essa è buon senso chimico.  Il rame è un metallo nobile, che tuttavia l'acido nitrico è capace di ossidare dando ioni idratati blu.  L'acido nitrico è un liquido incolore stabile, che tuttavia il rame metallico riduce al gas marrone diossido d'azoto.

 

La Chimica Descrittiva è semplice chimica dichiarativa, dichiarata al momento in cui la si mostra e la si vedeÈ la chimica dell'"Ah!". Assistendo a lezioni con dimostrazione e a dimostrazioni con lezione essa fa esclamare: "Ah, vedo!".  Tuttavia, date le aggressive rivendicazioni conoscitive della fisica quantistica – tutta la chimica è risolta in linea di principio [8] – la Chimica Descrittiva può essere in realtà, dal punto di vista psicologico, la parte della chimica più difficile da inse­gnare bene.  Certamente la Chimica Descrittiva è per gli studenti la parte della chimica più importante da conoscere bene.

La Chimica Descrittiva pratica e applicata è un prerequisito per usare nel modo appropriato tutte le parti più teoriche della chimica.  Un esempio è sufficiente a illustrare il primato della Chimica Descrittiva nella gerarchia del pensiero chimico.

 

La Regola di Gibbs

Le basi della Regola

La Chimica Descrittiva comincia con semplici descrizioni delle proprietà di singole fasi di sostanze pure.  A temperatura ambiente e pressione atmosferica il rame è un solido, l'acido nitrico un liquido.  La Regola delle Fasi di Gibbs è semplicemente la generalizzazione della familiare Regola del Due: date la temperatura e la pressione di una sostanza pura e omogenea, le altre proprietà (intensive) della sostanza possono essere cercate in un manuale di chimica e fisica o in un prontuario di chimica.  Analogamente, un sistema a due componenti e una fase – per esempio, una soluzione acquosa di acido nitrico o una lega rame e zinco – ha tre gradi di libertà: per esempio T, P e la frazione molare di uno dei componenti devono essere specificati per fissare le rimanenti proprietà del sistema.  E così via.  Gibbs pensava che la regola fosse auto-evidente [7]: se aumenta il numero di componenti, C, in una fase solida, liquida o gassosa, il nu mero dei gradi di libertà aumenta nella stessa misura.

D'altra parte, l'acqua liquida pura in equilibrio col suo vapore a una data temperatura ha una ben definita presione (la sua "tensione di vapore" cioè un sistema a un componente due fasi ha solamente un grado di libertà (per esempio T).  E così via.  Se si aumenta il numero di fasi F (a C costante), il numero di gradi di libertà diminuisce nella stessa misura. In breve, V = 2 + C – F.

La regola delle fasi di Gibbs è facile da enunciare, facile da ricavare, ma meno facile da usare.  L'uso appropriato della teoria chimica dipende dalla previa conoscenza della Chimica Descrittiva di base.

 

Resistenze passive e tendenze attive

Consideriamo per esempio una miscela gassosa di idrogeno, ossigeno e acqua.  Che valore ha V? Second Gibbs, 2 + C – F.  E ovviamente F = 1.  Ma che valore ha C?  Tre?  Sì se, sperimentalmente, si trova che la resistenza passiva alla reazione

 

2 H2 + O2   2H2O

 

è grande; cioè se l'energia di attivazione della reazione è grande in confronto a RT.  D'altra parte si potrebbe osservare, sperimentalmente, che idrogeno e ossigeno mostrano una tendenza attiva a formare acqua e viceversa; cioè tre specie potrebbero essere in equilibrio chimico le une con le altre, per esempio grazie alla presenza di un catalizzatore.

 

In realtà l'espressione V = 2 + C – F è fuorviante.  Da un punto di vista sperimentale essa presenta le cose in maniera sbagliata, mettendo il carro (C ) davanti ai buoi (V).  In primo luogo perché V non è determinata dal conoscenza di C (e F). Piuttosto, C determinata inizialmente dalla conoscenza di V.  L'osservazione sperimentale degli effetti delle resistenze passive e delle tendenze attive sul comportamento delle fasi del sistema quando si variano la sua temperatura, pressione e composizione chimica determinano V e quindi, con il valore sperimentale di F, il valore di C mediante la relazione C = V + F – 2 La conoscenza delle resistenze passive delle tendenze attive di un sistema è essenziale in qualsiasi applicazione della Regola delle Fasi di Gibbs.

"In generale le resistenze passive", nota Gibbs, "sono facilmente riconoscibili con la più superficiale conoscenza della natura" [7] (corsivo nostro).  Una resistenza passiva, continua Gibbs, è quella resistenza al cambiamento che impedisce a una delle due possibili forme di una sostanza di trasformarsi nell'altra: per esempio diamante in grafite; idrogeno e ossigeno in acqua; rame e ossigeno in ossido di rame; azoto, ossigeno ed acqua in acido nitrico.  La Gibbsiana" conoscenza superficiale" della natura chimica della Natura è ciò di cui tratta la Chimica Descrittiva di baseÈ conoscenza delle resistenze passive della Natura e delle sue tendenze attive chimiche.  È conoscenza della reattività chimica.  È conoscenza indispensabile ai chimici.  È sapere, per esempio, che l'acqua è un composto stabile di idrogeno e ossigeno e che le miscele di idrogeno e aria possono esplodere.  È sapere che il rame perde la sua lucentezza a contatto dell'aria, cioè che l'ossido di rame è stabile a temperatura ambiente, ma che il rame non arrugginisce come il ferro.  C'è una resistenza passiva alla sua ossidazione in massa. Naturalmente questi fatti si possono trovare in un libro, così come si può trovare l'ortografia delle parole di questa frase.  Ma chi è costretto a fare cosi è funzionalmente un analfabeta.  La conoscenza della Chimica Descrittiva dì base è necessaria per essere chimicamente alfabetizzati.

 

La raccomandazione di Lavoisier

In conclusione, che cos'è Chimica Descrittiva?  E in realtà, che cosa non è Chimica Descrittiva?  Tutta la chimica, "descrittiva" e "teorica", è sia descrittiva che teorica.  È tutta una descrizione astratta – cioè "teorica" – della Natura.  Dalla nomenclatura delle sostanze fino a, per esempio, la regola del due e la regola delle fasi di Gibbs, le energie libere di attivazione e di reazione, è – o dovrebbe essere – tutta Chimica Descrittiva.  Perché, se non fosse una descrizione della natura chimica della Natura, che cosa sarebbe?  La questione non riguarda tanto che cosa sia la Chimica Descrittiva, ma piuttosto come possiamo insegnare la chimica in modo tale che ciò che insegniamo descriva che cosa è la chimica.  Raccomandava Lavoisier: Non divagare.  Evita conclusioni incoerenti.  Non anticipare nomi, idee, teorie ma ciò che è necessario a spiegare un esperimento o osservazione immediata [9].

 

Fare un esperimento.  Versare un liquido incolore su una monetina di rame.  Poi fare un'osservazione.  Questa è una trasformazione chimica!  Ripetere l'esperimento, prendendo nota dei cambiamenti di "stato" e di colore.  Anticipare (simultaneamente) qualche nome: "rame", "acido nitrico", "diossido d'azoto", "ione rame".  Fare un altro esperimento.  Versare in acqua solfato di rame anidro e nitrato di rame.  Prendere nota dei colori e delle conducibilità elettriche delle due soluzioni.  Introdurre alcune idee: elementi, composti, ioni.  Suggerire letture sul libro di testo a proposito di elementi e composti, rame e acido nitrico, ioni ed elettroni, ossidazione e riduzione.  Rispondere alle domande con altri esperimenti, ulteriore terminologia, ulteriori idee, altre letture... e così via per tutto il trimestre e tutto il corso.  Naturalmente un insegnamento di questo tipo non è logicamente nitido e ordinato.  Né intende esserlo.  Esso tende a mostrare che cos'è la chimica: qualcosa di stuzzicante, spesso sorprendente, altamente creativo, spesso utile, notevolmente astratto, talvolta rischioso, continuamente mutevole, sempre interessante.

 

Conclusioni

La Chimica Descrittiva è uno stile generale di insegnamento più che uno specifico contenuto curricolare; è qualcosa per la cattedra più che per la pagina stampata; è la proposta di immagini memorabili più che la presentazione di dimostrazioni formali; è una discussione su ciò che è utile sappia uno studente di chimica più che su ciò che è piacevole da contemplare per un fisico teorico; è chimica psicologicamente significativa più che chimica logicamente rigorosa; è un linguaggio adoperato più che un linguaggio costruito, è nello spirito delle lezioni di Faraday sulla "Storia chimica di una candela" più che nello spirito delle moderne introduzioni alla chimica con la loro enfasi sull'aritmetica chimica; è nella "fase romanzesca" più che nella "fase della precisione" nel senso di Whitehead; è uno sforzo per mettere in risalto la semplice sottigliezza della chimica elementare più che l'eleganza matematica della chimica fisica; è questione di concetti chimici più che di teorie fisiche; guarda a che cosa è realmente la chimica più che a ciò che i fisici quantistici pensano dovrebbe essere.

 

Ringraziamento

Gli autori sono grati a Henry E. Bent per le costruttive critiche a una prima stesura del presente articolo.

 

Bibliografia

1. W. Whevell, Philosophy ofthe inductive sciences; Frank Cass, London, 1967.

2. N.R. Hanson, Perception and discovery; Freeman e Cooper, San Francisco, 1969.

3. M. Heidegger, On time and being; Harper Torchbooks, New York, 1972.

4. P. Duhem, The aim and structure of physical theory; Princeton University, Princeton, NJ, 1954.

5. H.A. Bent, J. Chem. Educ. (in corso di stampa).

6. H.A. Bent, H.E. Bent, J. Chem. Educ., 57, (1980), 609.

7. J.W. Gibbs, Collected Works, Vol. 1 (Thermodynamics); Yale University, New Haven, 1948, pp. 58, 96.

8. P.A.M. Dirac, Proc. Royal Soc. (London), A123, (1929), 714.

9. A. Lavoisier, Elements of Chemistry; Dover, New York, 1965, p. XVI.

 

Pubblicato originariamente su La Chimica nella Scuola, 2002, XXIV (2), 75-78.  Riprodotto con l'autorizzazione del Prof. Pirluigi Riani, direttore di CnS.