Aria

L’argomento mi sembra ideale per assecondare la mia naturale propensione a saltare di palo in frasca e, solo  perchè il mio editor non me lo permette ( o forse io non lo so usare), altrimenti, mi piacerebbe sviluppare questo articolo in  forma di tromba d’aria e sollevare così idealmente la polvere che ricopre antiche carte,  strumenti, pensieri; roteare avanti e indietro lungo la linea del tempo sfidando ogni certezza e cercare così lo stupore dell’essere umano, che riconosce il suo respiro e inventa l’aria, soffio vitale, πνεῦμα, spirito.

2trombaMileto Grecia. Nel V sec a.C. Nascita del  pensiero filosofico. Qui si fa strada l’idea  che la materia sia qualitativamente unica,  perchè nel grande osservatorio geografico e meteorologico del mondo  si vedono tutte le specie trasformarsi l’una nell’altra.  Il cambiamento è l’apparenza, l’intima  natura delle cose in realtà rimane invariata.

Ed ecco allora scuole di filosofi naturalistici che si pongono alla ricerca del principio di tutte le cose e fra questi Anassimene: anassimene 

E la Terra di Anassimene diventa una tavola sostenuta dalla pressione dell’aria , la materia cosmica primitiva.

Acqua, aria, fuoco,  l’infinito … vengono a turno riconosciute come  principi di tutte le cose dai diversi pensatori che si susseguono. E la materia prende forma: estesa,omogenea, impenetrabile

E’ passato un secolo e Mileto dà i  natali a un altro pensatore: Leucippo. é l’alba di un nuovo concetto : la divisibilità della materia.

Si tocca il limite della divisibilità della materia quando si sono allargati tutti i vuoti che essa contiene, separando i frammenti di sostanza compatta. Questi sono atomi, cioè indivisibili.

Democrito d’Abdera continuerà e amplierà il concetto di atomo e di vuoto e la sua dottrina sarà ripresa da Epicuro e poi tradotta in sublime poesia da Lucrezio.

Ma la tromba d’aria ha risucchiato  queste idee nei suoi vortici, lasciando che fosse un tenue venticello a sospingere nei secoli  le idee di un altro filosofo che conquistò le menti degli uomini: Aristotele.

E l‘aria divenne elemento,  uno dei quattro elementi con acqua, terra e fuoco e rimase tale per due millenni.

La tromba d’aria/ macchina del tempo si è fermata a cavallo tra il 1500 e il 1600 nello 2trombastudio di uno scienziato fiammingo Jan Baptiste van Helmond.

A quel tempo l’unica sostanza aeriforme conosciuta era l’aria. E’ vero che gli alchimisti avevano ottenuto arie e vapori ma erano sostanze sfuggenti e difficili da studiare.  la natura misteriosa di questi vapori era implicita nel nome stesso assegnato ai  liquidi che evaporavano facilmente: “spiriti” con parola che significava in origine “fiato o “aria”, ma che era anche circondata da un certo alone di mistero e perfino di soprannaturale. L’alcol è il più  antico e il più conosciuto dei liquidi volatili e così “spirito” indica le bevande alcoliche.

Van Helmond fu il primo chimico che provò a studiare i vapori prodotti dai suoi esperimenti e scoprì che sembravano proprio aria, ma non si comportavano come aria. Lo scienziato trovò che queste sostane senza forma e volume propri erano simile al ” caos” dei Greci, la materia informe e disordinata che era servita per la creazione dell’universo. Chiamò quindi così, caos, queste sostanze, ma per rendere la pronuncia fiamminga  ricorse alla grafia” gas” e proprio così vennero chiamati, da allora, gli aeriformi.helmondDalla combustione del legno ottenne il biossido di carbonio da lui chiamato: aria silvestre.

Lo studio dei gas risultava comunque molto difficile perchè difficile era comunque, raccoglierli, effettuare misure e si tendeva quindi ad ignorarli finchè …

220px-Hales_StephenPrincipio del diciottesimo secolo: laboratorio di Stephen Hales. Lo scienziato inglese inventa il metodo della raccolta dei gas al disopra dell’acqua. Per mezzo di un tubo, convoglia i vapori ottenuti da una raccolta gasreazione chimica in un vaso pieno d’acqua capovolto in un recipiente contenente acqua. Il gas gorgoglia verso l’alto costringendo l’acqua ad uscire dal’apertura inferiore. Hales ottiene  così un vaso pieno di gas. In realtà a lui i gas non interessavano minimamente e quindi non ne studiò mai le proprietà,  ma è importante il fatto che avesse trovato un modo per raccoglierli!

Fra gli inventori di strumenti per lo studio dei gas  c’è un trio d’italiani che disegnò, perfezionò e migliorò uno strumento con cui poi illustri scienziati diedero il via alla chimica pneumatica ovvero allo studio sistematico dei gas.

Il trio era composto da Marsilio Landriani, Felice fontana, Alessandro Volta e lo strumento da loro inventato era l’eudiometro. La prima versione dello strumento è attribuita al Landriani; questo scienziato, interessato all’aspetto medico degli studi sull’aria, voleva  determinare il componente dell’aria al quale potesse essere attribuita la sua ” bontà”. ( nel 1770 pubblicò un testo dal titolo “Ricerche fisiche intorno alla salubrità dell’aria”) e condusse i suoi studi utilizzando un misuratore (eudiometro) di sua invenzione.

Il primo studio sulla salubrità dell’aria, venne commissionato in Inghilterra nel 1661 da Carlo I. Lo scienziato che se ne occupò, Evelin, notò come in prossimità di ristagni d’acqua la popolazione soffrisse di catarro e problemi polmonari e propose di piantare alberi ed essenze odorose. Il re fece allora piantare quei cedri, che ancora oggi ammiriamo  a St. James Park.

Il primo libro di medicina del lavoro, scritto a Modena nel 1700 da Ramazzini riguardava la qualità dell’aria. Si intitolava:” De morbis artificum diatriba”  e attribuiva a polveri e gas tossici presenti nell’aria, la causa delle malattie che colpivano i lavoratori costretti a operare in luoghi malsani.

All’ epoca di Landriani, anche Priestley stava studiando la salubrità dell’aria: l’idea per l’eudiometro allo scienziato italiano  venne proprio dagli studi che  Priestley stava compiendo.

Nel 1772  il teologo e filosofo naturale J. Priestley descrisse la capacità dell’aria nitrosa (ossido di azoto) di ridurre notevolmente la quantità di aria comune con cui veniva mescolata producendo un’ effervescenza accompagnata dall’emissone di vapori e calore. Priestley quindi formulò l’ipotesi di utilizzare questa reazione per misurare la respirabilità dell’aria più o meno viziata.

Questi sono i tempi del “flogisto”, l’entità misteriososa con la quale si dava spiegazione a diversi  fenomeni quali, ad esempio, la combustione.  Poichè la reazione utilizzata provocava la scomparsa di una parte dell’aria atmosferica , detta “deflogisticata”( ossigeno), maggiore risultava la contrazione volumetrica proporzionale all’assorbimento dell’aria atmosferica, migliore doveva essere la qualità iniziale dell’aria.

Nel 1774 Priestley, decomponendo con il calore l’ossido rosso di mercurio individuò un nuovo gas, l’0ssigeno, in grado di mantenere la combustione. Applicando il test dell’aria nitrosa al nuovo gas, era in grado di ottenere una contrazione volumetrica ancora maggiore di quella ottenuta con l’aria atmosferica. A questo punto era in grado di calcolare la quantità di “aria pura” in un campione di aria atmosferica.

eudiTorniamo a Landriani: il suo strumento, per il quale coniò il neologismo eudiometro e il cui funzionamento è descritto in figura, gli consentiva di fare considerazioni piuttosto precise sulla salubrità dell’aria: più salubre era  quanta più aria deflogisticata conteneva o quanta meno aria fissa  conteneva o flogisto ovvero aria flogisticata.

Contemporaneeamente a lui un altro italiano Felice Fontana, mise in opera uno strumento che chiamò evaerometro. Naturalmente nacque subito un problema di attribuzione dell’originalità dell’invenzione. Problema che il tempo ha risolto avvolgendo nell’oblio il nome di entrambi gli scienziati, mentre la fama del terzo, Alessandro Volta è giunta intatta fino ai nostri tempi.

eudiometro di volta

eudiometro di volta

L’eudiometro di Volta presenta due novità : la prima è l’uso di idrogeno (aria infiammabile) invece dell’aria nitrosa, l’altra è la scintilla elettrica che innesca la reazione.

Diverso è anche lo spirito con cui Volta utilizzava questo strumento: non per individuare la salubrità dell’aria, ma proprio per studiare le proprietà chimiche delle diverse arie, tra cui l’aria infiammabile delle paludi ( metano) da lui scoperta.

Dopo aver visto gli strumenti che aiutarono gli scienziati nelle loro ricerche sull’inafferrabile aria, diamo uno sguardo alla linea del tempo che scandisce lo svilupparsi  quella branca della conoscenza  che prese il nome di chimica pneumatica.

Lo sviluppo delle ricerche sui gas ebbe risultati di grande importanza: in particolare, da questi studi, ebbe origine la necessità di ritornare tra le carte di Democrito di Abdera e rispolverare  la teoria atomica.

La prima  domanda pressante che gli scienziati si posero fu:

” l’aria atmosferica è una sostanza semplice o composta e il tal caso quali sono i costituenti?”

La prima oservazione che mise in dubbio la vecchia supposizione che l’aria fosse una sostanza semplice, fu quella condotta  da Boyle su un dato volume d’aria rispetto a un corpo bruciato o a un metallo riscaldato in esso. Con le sue ricerche Boyle  arrivò  a supporre  che, per la respirazione come per la combustione e calcinazione dei metalli, fosse necessario  uno specifico componente dell’aria, ma non riuscì ad isolarlo. Per quanto riguardava  la composizione dell’aria, poi, non avebbe saputo dire con certezza se biossido di carbonio e idrogeno differissero sostanzialmente dall’aria atmosferica.

Nel 1727 Hales, studiando le piante, incominciò a intuire la presenza di biossido di carbonio ma fu Blake che nel1757 a scoprire l’ “aria fissa” cioè quella parte d’aria che veniva fissata (assorbita) dagli alcali caustici.

Nel 1776 Cavendish chiamò l’idrogeno ” aria infiammabile”.

Furono però Sheele e Priestley che scoprirono i due componenti principali dell’ aria. Azoto e ossigeno.

esperimento di Scheele

esperimento di Scheele

Scheele, scienziato sfortunatissimo,  isolò l’azoto nel 1770 (Aria mefitica) ma ritardò la pubblicazione della scoperta e fu preceduto da  Rutheford (1772 ) a cui fu attribuita la scoperta. Anche per l‘ossigeno (aer vitriolicus, aria di fuoco, aria vitale) non gli andò meglio perchè questa volta fu Priestley ( aria deflogisticata) a precederlo nella pubblicazione.

A questo punto entrambi gli scienziati riconobbero che l‘aria era una miscela di due gas per Priestley aria flogisticata (azoto) e aria deflogisticata, per Scheele aria mefitica (N) e aria vitale (O).

Entrambi poi fecero l’importante osservazione che bruciando una candela in un volume chiuso, si produceva tanta aria fissa  quanto ossigeno veniva consumato.

Lo studio dei gas ha dato un notevole aiuto  allo sviluppo della chimica come scienza. Sicuramente ha contribuito a migliorarne la parte  sperimentale: strumenti e e quindi tentativi di produrre dati qualitativi, ma anche quantitativi per spiegare i fenomeni. E’ chiaro inoltre che l’incontro ravvicinato con uno stato della materia così particolare non poteva che far scaturire nuove idee alcune fuorvianti come il flogisto, altre sucettibili di approfondimnti e sviluppi come la domanda :

” se la materia è continua, come può l’aria essere compressa”.

Una risposta possile era quella di pensare l’aria come composta da particelle, atomi, separati da spazi vuoti. Ed ecco, quindi, il ritorno di Democrito, riscoperto nei primi decenni del ‘600 dal filosofo  francese Gassendi, ma questa volta per essere studiato e ascoltato.

La tromba d’aria che mi ha trascinato in questo rapidissimo viaggio si è fermata tra le pagine di un libro.2tromba

1903 “La liquefazione dell’aria e dei gas ” di Alippi e Comanducci:

“La liquefazione dell’aria per opera del Linde commosse il pubblico quasi insieme con le altre due scoperte: i raggi Röntgen e il telegrafo senza fili.    Chi ha assistito a conferenze e a esperienze pubbliche sull’aria liquida, può dire con quale vivo interesse, quanta meraviglia essa e le brillanti esperieze che con essa si fanno destassero nelle persone presenti”

In questo libro vengono narrati gli  studi sulla compressione dei gas e sulla possibilità di liquefarli e solidificarli.

Non entrerò qui nel merito della questione (forse dedicherò un altro  post all’argomento), ma voglio solo sottolineare alcune conseguenze legate allo sviluppo di tecniche per la liquefazione dei gas

Ormai erano chiaro che l’aria fosse un miscuglio composto per la maggior parte   da Azoto, (78%), Ossigeno (21%) e  biossido di carbonio  (0,04%). La  liquefazione dell’ aria (distillazione frazionata) portò alla scoperta di un nuovo gas, l’argon, pigro, chiamato così per la sua inerzia chimica. In breve tempo vennero separati  anche gli altri gas nobili.

Si incomincia a studiare l’effetto delle basse temperature sulla materia.

Si inventano recipienti per il trasporto dei gas liquefatti . In particolare il dewar  dal cognome dello scienziato che lo ideò.

Si fanno considerazioni importanti sulle temperature di raffreddamento  e sulla possibilità di ottenere temperature sempre più vicine allo zero assoluto.

Un fatto curioso,  che emerge dalla lettura di questo testo, è come in quegli anni  scienziati e ricercatori attraversassero la penisola (per esempio da Milano a Bologna) in treno (da loro definito “lampo”),  portandosi dietro recipienti fumanti di aria liquida, per fare conferenze in mezza Italia.

“…nel novembre scorso, il prof Piutti dell’università di Napoli, portò cinque litri di aria liquida da Napoli a Conegliano, per illustrare con esperimenti l’interessante conferenza sulla liquefazione dell’ aria, che egli tenne colà a pro’ del patronato scolastico…”

Varrebbe la pena di studiare in modo approfondito l’ Italia di quel periodo storico  per capire come mai l’entusiamo per la scienza così vivo in  quegli anni  sia poi,  per così dire  … evaporato!

Un’altra curiosità: la ricetta classica  della cucina molecolare per fare il gelato con l’azoto liquido era già nota nel 1903.

“Coll’aria liquida si possono preparare, e con grande prontezza, eccellenti granite, le quali nulla hanno da invidiare alle migliori che si servono nei caffé. La ricetta è semplice: in un bicchiere si versa un po’ di sciroppo, poi un pò d’aria liquida, e si rimescola. in men che non si dica, la granita è fatta.”

Hervè This, il chimico fisico inventore dell’ odierna  gastronomia molecolare,  lo sapeva?

Questo post partecipa al 28° Carnevale della chimica ospitato da Emanuela Zerbinatti sul suo blog Arte e Salute

Bibliografia

Alesio Clerc – Chimica popolare- Sonzogno 1886

Alippi, Comanducci – Liquefazione dell’aria e dei gas- fratelli Bocca 1903

Meyer, Giua- Storia della chimica Hoepli 1915

F. Enriques , G. de Santillana- Compendio di Storia del pensiero scientifico- Zanichelli 1953

I. Asimov- Breve storia della chimica- Zanichelli 1998

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prof. di chimica
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2 risposte a Aria

  1. laurin42 ha detto:

    Interessantissimo ed esauriente come sempre, cara Margherita!
    Passando da te imparo e mi vengono idee…
    Love
    L

    Mi piace

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