CONSIDERAZIONI SU: “LEZIONI DI CHIMICA FISICA”

 

Carlo Bauer

 

L’aspetto speculativo e quello sperimentale della scienza sono due facce inscindibili di uno solo realtà.  Scelte didattiche e politica.  Considerazioni tratte dalla lettura di "Lezioni di Chimica Fisica" (P vol.) di Manlio Guardo, Zanichelli, 1989.  L’Autore pone come epigrafe alla parte prima dell’opera, "Trasformazioni ed equilibri", una frase di Newton: "Sembra che il modo migliore, e il più sicuro, di compiere opera scientifica, sia prima esplorare diligentemente le proprietà delle cose, e stabilirle mediante l’esperimento, e poi procedere cautamente o formulare teorie capaci di spiegarle".  Questa epigrafe rappresenta un po’ il programma dell’impostazione dell’opera, che in questo primo volume copre in pratica il campo della Chimica Generale; essa è svolta con un rigore eccezionale, basandosi sempre sull’approccio operativo e sperimentale e sulle definizioni le più rigorose possibili e codificate dalle Società internazionali.  Possiamo però chiederci: tale approccio è l’unico lecito, l’unico possibile in assoluto?  E soprattutto, è il più produttivo sul piano delle idee?  E ancora, dal punto di vista squisitamente didattico e adatto alla mentalità degli allievi e permette loro di capire le cose veramente a fondo?

 

Basta riflettere un momento per rendersi conto che il programma tracciato dall’epigrafe di Newton non è il modo reale in cui procede qualunque ricercatore: prima di impostare un esperimento occorre aver fatto una certa teoria di partenza del problema, una ipotesi di lavoro che guidi appunto nella impostazione dei primi esperimenti; poi la teoria si modificherà via via in base ai risultati e farà da guida per i successivi esperimenti, e così di seguito.  Inoltre, la massima produttività nel campo delle innovazioni e delle idee si ha se non si è affatto cauti nell’avanzarsi ipotesi ardite.  Cauti occorre essere nel giudicare se una certa ipotesi sia o no sostenuta a sufficienza dai fatti sperimentali posseduti, evitando di dare per dimostrato sperimentalmente ciò che non lo è e riconoscendo che certe idee avanzate come ipotesi sono ancora a livello filosofico (metafisico).  È chiaro quindi che la ricerca scientifica reale, al di là delle dichiarazioni di principio, procede con una inestricabile mescolanza di teoria ed esperimenti con scambi e fecondazioni reciproche continui di queste due metà inseparabili della scienza.  Non solo, ma ipotesi quasi completamente metafisiche possono rivelarsi fecondissime per successivi sviluppi scientifici, come e avvenuto per gli antichi Greci, che privilegiavano l’aspetto speculativo: basti ricordare la teoria atomica, la teoria della panspermia, la teoria degli umori di Galeno.

 

Occorre prendere con cautela quello che dichiarava ufficialmente Newton su questo problema: com’è noto, Newton aveva un pessimo carattere dal punto di vista umano, era accentratore, ambizioso, con i peggiori difetti accademici (ben noti anche oggi): basti ricordare la maniera mascolina con cui condusse la contesa con l’onesto e ingenuo Leibniz, che le si era appellato per un giudizio equo proprio alla Società scientifica presieduta dallo stesso Newton.  Fu così che per furbizia, e cautela politica, per non esporsi a critiche, formulò il suo celebre "hypotheses non fingo", mentre nell’area della sua pratica di ricerca si abbandonava alle speculazioni più ardite, occupandosi anche degli aspetti teologici e persino della magia (come rivelato da ricerche non pubblicate, ma a cui teneva molto).  Nell’epoca che seguì Newton, tuttavia, le sue dichiarazioni ufficiali furono prese molto sul serio perché molto confacenti all’impostazione dominante sostenuta dall’illuminismo, con suo approccio materialistico-riduzionista molto congeniale a certo spirito empirista di origine prevalentemente anglo-sassone.  Venne così a crearsi una mentalità di tipo operativo-sperimentalista che, almeno a parole, cerca di limitare al massimo l’aspetto speculativo, in odio a metafisica e ai suoi ben noti eccessi del passato.  Ma come abbiamo visto sopra, tale impostazione, se portata alle estreme conseguenze tarpa in realtà le ali alla scienza, se non fosse che, per fortuna, i suoi stessi fautori procedono nei fatti ben diversamente, proprio come, pur dichiarando di essere contro la metafisica, ne hanno realtà una loro ben precisa.

 

Ma è soprattutto dal punto di vista didattico che quel programma è a mio avviso meno produttivo.  Il rigore delle definizioni internazionali e l’approccio rigorosamente operativo non permettono una comprensione veramente profonda della realtà e dei concetti, che non puramente formale, se non è preceduta da una esposizione discorsiva e informale, adatta alla mentalità dei giovani più curiosi e desiderosi di capire, che non disdegni metafore, l’immaginazione e gli aspetti speculativi necessari per iniziare, per collegare tra loro i concetti e per svilupparli.  Anche qui è necessario un continuo interscambio e fecondazione reciproca di teoria e laboratorio: è vero che certe cose, senza vederle, sono di ardua comprensione, come tutti vengono ripetendo senza fine, ma è altrettanto vero che è del tutto introduttivo affrontare una apparecchiatura ed un esperimento senza un’adeguata preparazione preliminare teorica.  Tutto è interconnesso e strettamente inestricabile nell’intero universo maggior ragione, in questo suo angolino della ricerca della didattica scientifica.  Bando quindi ai dogmatismi di ogni segno che vorrebbero affettare, sezionare la complessa realtà mostrandone solo una faccia monca.

 

Dopo aver detto senza inibizioni quello che penso questi problemi di fondo, passo in rassegna alcuni punti specifici che meritano attenzione.  Anzitutto il concetto di mole o grammo-molecola, così importante per la formulazione chimico-fisica.  In base alla mia ormai lunga esperienza didattica posso dire che sono veramente pochi gli studenti che abbiano capito a fondo questo concetto, anche dopo defatiganti e severissimi esami di Chimica.  Per rendersene conto basta dar loro in mano una spruzzetta piena d’acqua, un cilindro graduato 20-50 mL e chiedere di versarvi dentro una mole d’acqua: ebbene, la percentuale di quelli che sono in grado di farlo, anche dando loro tempo di riflettere, è veramente esigua!  Ciò dipende dal fatto di non aver capito il concetto di grammo-molecola e di aver superato l’esame di Chimica Generale dandone una ineccepibile definizione formale appresa a mente, per l’appunto quella che dà il testo in esame: "Una mole è la quantità di materia associata a un numero di particelle elementari uguale a quello degli atomi presenti in 12,000 g di C 12".  Oppure, più semplicemente, dicendo che è la massa di un numero di Avogadro di molecole.  I migliori tra gli studenti sanno queste definizioni, ma non hanno idea di quanto sia questa massa e non sanno scegliere, per dare una mole, tra un bicchierino, una bottiglia o una tanica d’acqua.  Ci sono poi moltissimi che non sanno versarsi una mole di acqua perché la loro ignoranza riguarda anche altre nozioni di base, ad es. che l’ossigeno ha un peso atomico relativo di circa 16 e l’idrogeno di circa 1; oppure, andando a ignoranze ancor più di base, non sanno che 1 mL di acqua ha una massa di 1 grammo a 4° C.  Per non parlare poi della lettura della suddivisione in tacchette della graduazione del cilindro, che ragazzi ormai abituati solo a calcoli su computer e alla lettura delle cifre sui display digitali a cristalli liquidi, non sanno più decifrare.

 

Didatticamente, è molto più produttivo insegnare agli studenti a soppesare idealmente atomi e molecole arrivando al concetto di peso molecolare relativo Mr (numero puro); è facile allora capire che, prendendo uno stesso numero (anche grandissimo) di molecole diverse, tali quantità hanno masse proporzionali ai rispettivi Mr.  È immediato allora, procedendo a ritroso, che se si prendono Mr grammi (grammo-molecola) di ciascuna sostanza, siamo sicuri che contengono lo stesso numero di molecole (è, in fondo, una tautologia); tale numero è il numero di Avogadro ma, per non ingenerare le confusioni viste sopra nelle definizioni, è meglio, da un punto di vista didattico, parlarne dopo, a parte, quando si arriverà alla definizione formale e ufficiale di mole.  Anche questo nome, mole, è un po’ infelice dal punto di vista didattico perché non dà alcun suggerimento sul concetto, cosa che invece fa il termine migliore (anche se più ingombrante) di grammo-molecola.  Questo termine permette anche di rendersi conto del grado di arbitrarietà che c’è in questa definizione, perché in linea teorica le cose sarebbero andate ugualmente bene se avessimo preso Mr kg di ciascuna sostanza, o, ancora, ad es., Mr mg delle stesse (avremmo avuto così la kilogrammo-molecola o la milligrammo-molecola, contenenti 1000 o, rispettivamente, 0,001 numeri di Avogadro di molecole.

 

L’altro argomento su cui mi voglio soffermare è quello dell’equilibrio chimico: anche in questo caso il nostro Autore ne dà una definizione ineccepibile su base operativa e sperimentale rifiutando, sulla base di sottili considerazioni termodinamiche, l’approccio basato anche sulle velocità di reazione microscopiche.  Anche qui però possiamo chiederci quanto a fondo comprendano gli studenti e se non sarebbe più produttivo didatticamente rinunciare ancora una volta a un po’ di rigore espositivo (a cui si può, volendo, sempre arrivare alla fine come coronamento e conclusione) e introdurre l’argomento in maniera intuitiva proprio sulla base delle opposte velocità di reazione microscopiche (la cui somma algebrica dà la velocità di reazione macroscopica o sperimentale).  Ancora una volta sembra di notare che il motivo di fondo delle scelte sia una avversione di base per tutto ciò che sappia anche lontanamente di speculativo e metafisico: ora, le velocità microscopiche (che non misuriamo direttamente) hanno un po’ questo carattere (ma, volendo, si possono mettere in evidenza sperimentalmente, ad es. attraverso scambi isotopici).  Naturalmente, la considerazione delle velocità microscopiche dovrà essere accompagnata alla constatazione della costanza finale all’equilibrio di tutti i parametri chimici e chimico-fisici, che giustamente l’Autore sottolinea essere la parte fondamentale e qualificante della definizione di equilibrio chimico.  Inoltre, non conviene partire dal prodotto di solubilità, come fa l’Autore, e arrivare poi all’equilibrio in generale, perché il primo concetto è di comprensione più ardua, coinvolgendo più fasi in equilibrio eterogeneo.  La scelta è però conseguente a quella fatta a monte dall’Autore per introdurre l’equilibrio chimico.  E ancora, se giova al rigore delle definizioni, non giova certo didatticamente sottolineare tanto enfaticamente la natura adimensionale delle costanti di equilibrio e quella dimensionale dei coefficienti di attività, scelta questa che mi lascia perplesso anche nel SI (a livello dei comitati internazionali) perché un coefficiente è per sua natura un numero puro e una attività è, in fondo, una concentrazione: la concentrazione efficace effettivamente in quelle specificate condizioni.

 

Nella parte seconda del libro (struttura atomica e molecolare e legame chimico) l’Autore sembra cambiare radicalmente l’impostazione prevalente nella parte prima, e di cui abbiamo discusso; ciò è preannunziato dall’epigrafe (di A. Einstein e L. Infeld) di questa parte: "La scienza non è una raccolta di leggi, un catalogo di fatti senza nesso.  È una creazione, dell’intelletto umano, con le sue libere invenzioni di idee e di concetti".  In effetti, in questa ottima parte è ripristinato un giusto equilibrio fra sperimentazione e teoria; addirittura sono difese le ragioni della speculazione scientifica riportando, a pag. 264, la polemica (risultata poi esagerata e sbagliata) di Kolbe contro van’t Hoff, che aveva proposto l’ipotesi del tetraedro per spiegare l’esistenza di un solo isomero del diclorometano.  Tale impostazione continua nella parte terza su cinetica chimica e catalisi (trasformazioni e velocità).  In complesso, possiamo dire che si tratta di un ottimo testo, godibilissimo soprattutto da parte dei docenti e degli studiosi.  Quanto all’aspetto didattico e alla comprensibilità da parte degli studenti (a parte le riserve specifiche di impostazione didattica fatte sopra, riguardo alla prima parte) possiamo dire in generale che questo libro è fatto per studenti con una buona preparazione di base pregressa, con intelligenza pronta e dotati di molta motivazione e volontà di lavorare (ogni lezione, in effetti, specie se abbinata al laboratorio, richiede ben più di un’ora per poter essere svolta in maniera accettabile e comprensibile).  Questo studente ideale è quello che tutti vorremmo, ma dobbiamo purtroppo constatare che, per una serie di motivi storici, sociali, didattici, la gran massa degli studenti è molto, molto lontana da questo ideale.

 

Per lo studente medio un libro a questo livello è di notevole difficoltà e richiede un impegno per lui quasi impossibile.  Che cosa fare allora?  A questo punto la risposta non è solo didattica, ma anche sociale e politica.  Ci sono due opposte possibilità: selezionare quei pochi studenti che rispondono ai requisiti di cui sopra senza curarsi del destino di tutti gli altri (oppure, meglio, creando loro sbocchi alternativi); oppure, abbassare opportunamente il tiro recuperando un numero maggiore di studenti in grado di apprendere i fondamenti della chimica più modestamente ma sufficientemente.  La scelta dipende dall'impostazione politica generale: la prima soluzione, se estrapolata su scala planetaria, equivale a riconoscere l’impossibilità per tutti e cinque i miliardi di uomini di pervenire al nostro grado di sviluppo, se vogliamo mantenere il nostro standard di vita; è implicito, se si vuole questo, che si devono relegare (ovviamente con l’uso della forza militare) masse sterminate (il sud del mondo) al ruolo di forza lavoro a buon mercato per i lavori servili, e come fornitori di materie prime.  L’altra e opposta impostazione politica generale rifiuta tutto questo e auspica un drastico ridimensionamento e riassestamento del nostro livello di vita in modo da permettere a tutti gli altri di elevare un poco il loro livello, controllando nel contempo l’inquinamento e l’uso delle risorse e delle materie prime, che non sono illimitate.

 

La scelta dell’atteggiamento didattico dipende però non solo da queste impostazioni politiche di fondo, ma anche da elementi contingenti come le richieste del mercato del lavoro in un certo settore: in base a queste può non essere produttivo preparare pochi bravissimi, ma possono servire numeri maggiori di diplomati o laureati con capacità più modeste ma sufficienti.  Al di là di questi spunti di discussione, possiamo concludere che il testo è ottimo, l’edizione è curatissima: gli errori di stampa si contano sulla punta delle dita e sono sicuramente al di sotto del limite fisiologico.  Citerò solo a pag. 85 Hasselbach (al posto di Hasselbalch); a pag, 101 alanina (al posto di acido aspartico); a pag. 258 raggi tau (al posto di raggi gamma).  Molte le cose ottime: l’effetto livellante del solvente sugli acidi forti, la considerazione di pH negativi o maggiori di 14, gli esperimenti, le figure, gli esercizi, i programmi per il calcolatore ecc.; ma la parte veramente migliore resta quella sulla fisica atomica e sulla struttura atomica e molecolare.

 

 

Pubblicato originariamente su Naturalmente, 1991, 4 (3), 22-24.