Bella e potente: La chimica dagli inizi del Novecento ai giorni nostri

Di Luigi Cerruti

Con un linguaggio semplice ed evocativo Bella e potente ripercorre quasi un secolo e mezzo di storia della chimica, dalla sintesi dell’indaco del 1882 fino ai giorni nostri. Nel Novecento la storia della chimica ha spesso incontrato quella della fisica e della biologia, con episodi cruciali quali la nascita della meccanica quantistica negli anni 1920 e la decifrazione del codice genetico negli anni 1960. Se nel secolo scorso la chimica ha rivoluzionato molti aspetti della vita quotidiana, negli ultimi tre decenni una profonda trasformazione nel ‘fare scienza’ ha avuto un ulteriore fortissimo impatto sulla società nel suo complesso. Internet, poderose capacità di calcolo e grandi strumentazioni chimico-fisiche hanno creato un inedito e formidabile ambiente di ricerca, in grado di affrontare molte sfide del nostro tempo, dal progetto genoma alla lotta contro i tumori. La bellezza conoscitiva e la potenza applicativa della chimica sono state alla base della nascita recente di discipline come la chimica verde e la chimica computazionale. L’aspetto storico più impressionante degli ultimi decenni è stato però la radicale riformulazione di temi di ricerca classici come quello dell’indagine sulla correlazione tra struttura e funzione delle proteine, dove ora è all’opera una scienza molecolare a cui contribuiscono chimici e fisici, biologi e informatici.
Nel volume, accanto alla narrazione principale, il lettore troverà molti inserti, corredati da immagini spesso curiose e talvolta drammatiche. Questi inserti non solo illustrano eventi, personaggi ed istituzioni delle scienze sperimentali, ma anche richiamano l’attenzione sul continuo, profondo intrecciarsi della storia della scienza con la storia dell’intera umanità.
INDICE
Prefazione: La matematica è tutto per me ...
Cos’è l’Indice della matematica sbalorditiva
Introduzione: Somme russe in un pub inglese nel ’46
Capitolo 1: La più antica leggenda matematica
Capitolo 2: I primi due grandi matematici
Capitolo 3: La grande èra dei secchioni greci
Capitolo 4: Archimede, il più grande di tutti i Greci
Capitolo 5: La gloriosa Alessandria
Capitolo 6: L’eclissi totale dei Greci
Capitolo 7: Le origini della matematica, in lungo e in largo
Capitolo 8: La matematica non è mai stata una religione
Capitolo 9: La scoperta del mondo sconosciuto
Capitolo 10: Il grande risveglio e la nuova èra della cultura
Capitolo 11: La nuova èra delle scoperte matematiche
Capitolo 12: Come calcolare qualunque cosa
Capitolo 13: Un matematico di peso
Capitolo 14: Le basi della matematica come fondamento di tutte le scienze
Capitolo 15: I molti tentacoli della matematica
Indice della matematica sbalorditiva
Bibliografia
Fonti delle illustrazioni
Indice analitico

• Lingua: Italiano
• Editore: Editori Riuniti
• Data di uscita: 27 dic 2019
• ISBN: 9788864732855

Anteprima del libro

Nella stessa collana:

Silvestrini Vittorio, Guida alla teoria della relatività

Silvestrini Vittorio, Che cos’è l’entropia

Toni Paolo, Scintille matematiche

Monari Paolo (a cura di), Giochi d’azzardo e probabilità

Bernardini Carlo, Che cos’è una legge fisica

Rucker Rudy, La mente e l’infinito

Lucio Lombardo Radice, L’infinito

John D. Bernal, Storia della fisica

Daniel Fleisch, Guida alle Equazioni di Maxwell

L. Landau, A. Kitaigorodskij, La fisica per tutti

Jean Perrin, Gli atomi

Davide Fiscaletti, I gatti di Schrödinger

D. Fleisch, L. Kinnaman, Guida allo studio delle onde

David Tall, Imparare a pensare matematicamente

Colin Stuart, La fisica in 100 numeri

Daniel Fleisch, Guida allo studio dei vettori e dei tensori

Johnny Ball, Breve storia delle meraviglie matematiche

Luigi Cerruti

Bella e potente

La chimica dagli inizi del Novecento ai giorni nostri

Editori Riuniti University Press

I edizione in versione ebook dicembre 2019

II edizione in versione cartacea luglio 2016

© 2019 Editori Riuniti university press – Roma

di Gruppo Editoriale Italiano srl – Roma

Tutti i diritti sono riservati

ISBN 97888-6473-285-5

www.editoririuniti.it

A Cecce bella,

mio grande amore

Prefazione

alla seconda edizione

Bella e potente è la chimica, un sistema complesso di conoscenze e di attività pratiche. Sulla potenza della chimica non vi sono dubbi, dato che è onnipresente nella vita quotidiana, nella tutela della salute, nella produzione industriale. La bellezza della chimica è piú elusiva, perché si coglie soltanto in un rapporto piú intimo con il suo patrimonio conoscitivo. Il panorama delle conoscenze chimiche è vasto ed estremamente vario, e lo sguardo non lo può abbracciare nella sua interezza da un unico punto di vista. Ma non appena si comincia a percorrerlo ci si accorge di una insolita bellezza, che nasce dal fatto che di volta in volta la conoscenza chimica si presenta nei piú diversi scenari. La chimica coglie gli aspetti molecolari e strutturali di tutto quanto ci circonda, dal respiro degli ecosistemi al ‘traffico’ interno ad ogni singola cellula del nostro corpo, e per vocazione secolare studia e produce innumerevoli sostanze e materiali. In poche parole: la bellezza della chimica rispecchia la bellezza del mondo.

La storia della scienza è una grande avventura conoscitiva, che dimostra che la chimica non è mai stata sola. In tutto il Novecento sono stati continui gli incontri della chimica con la fisica, la medicina e la biologia. A questi incontri e agli sviluppi interni alla chimica sono dedicate le prime tre parti del volume. Nei tempi piú vicini a noi le crescenti potenze di calcolo, l’informatica, Internet, e nuove strumentazioni non solo hanno cambiato il modo di ‘far scienza’ nelle singole discipline, ma hanno aperto inaspettati canali di comunicazione e collaborazione. L’ultima parte del volume tratta la partecipazione della chimica alle nuove scienze molecolari, belle e potenti quanto mai.

Luigi Cerruti

Ringraziamenti

Il mio primo ringraziamento va ad Anna Ricca che mi ha offerto la possibilità di curare questa seconda edizione di Bella e potente per gli Editori Riuniti, e mi ha anche lasciato tutto il tempo necessario affinché – nei limiti delle mie possibilità – potessi fruire di una possibilità raramente offerta ad uno storico: poter rivedere e aggiornare il proprio lavoro. L’ultima parte del volume, scritta per questa seconda edizione, è stata passata al ‘pettine fino’ da due lettori eccellenti: Andrea Turchi ed Elena Ghibaudi, che ringrazio per il loro contributo critico. Infine un ultimo rigraziamento, ancora per Elena Ghibaudi, che ha scritto con me il capitolo 18 e che nel corso di molte discussioni ha cambiato il mio punto di vista su alcuni punti delicati delle vicende delle scienze molecolari.

L.C.

Capitolo primo

La situazione disciplinare

all’inizio del Novecento

All’inizio del Novecento la chimica era la disciplina scientifica che aveva la base sperimentale piú ampia e consolidata di ogni altra. Per certi aspetti di carattere sociologico questa affermazione è banale. A partire dal 1840 i chimici impegnati nella ricerca sono cresciuti di numero piú velocemente dei fisici, o dei naturalisti, per il semplice motivo che l’impatto della chimica classica sulla produzione materiale e sulla struttura civile fu precoce, incisivo e diffuso. In questa parte iniziale della nostra ricerca cercheremo di afferrare quale fosse la situazione conoscitiva di un chimico nei primi anni del Novecento. L’analisi sarà divisa in quattro parti, ed esaminerà le pratiche di laboratorio disponibili; le procedure conoscitive seguite dai chimici, con una certa enfasi sui rapporti fra teorie e base sperimentale; i molti problemi che rendevano aperte le teorie piú importanti della chimica; l’ethos comunitario condiviso dai chimici, compresi gli aspetti di carattere piú propriamente ideologico. Da tutta l’analisi però non emergerà un tratto essenziale della situazione professionale di un chimico in quegli anni, e cioè di essere un ricercatore chiamato ad operare in una scienza d’avanguardia, che nel campo delle scienze sperimentali non aveva rivali per rilevanza accademica e per prestigio sociale. Sul piano piú strettamente scientifico si può dire che, anche in altre discipline, quando si parlava del mondo microscopico e sulla discontinuità imperante in quel livello ontologico il riferimento usuale era al patrimonio conoscitivo della chimica. Per apprezzare quale fosse allora il potere di attrazione del territorio occupato dalla chimica è sufficiente riportare due episodi, riguardanti scienziati appartenenti a campi molto distanti, il botanico olandese Hugo de Vries e il fisico tedesco Max Planck.

Nel 1900 Hugo de Vries aveva portato a compimento una serie amplissima di ricerche sulla riproduzione degli ibridi, e dalla analisi statistica dei risultati aveva ricavato quella che in genetica classica è chiamata «legge di segregazione dei caratteri». Secondo la consuetudine aveva cercato in letteratura eventuali precedenti della sua scoperta, e con sorpresa aveva letto la memoria presentata da Gregor Mendel nel 1865. De Vries non solo citò il lavoro di Mendel, ma ne curò la ristampa nello stesso anno 1900. La scoperta di de Vries aveva il significato profondo che i caratteri ereditati non si mescolavano, ma venivano trasmessi ‘per intero’ sia che fossero dominanti, sia che fossero recessivi. All’inizio dell’articolo in cui comunicava i dati si leggeva:

Secondo la teoria della pangenesi il carattere complessivo di una pianta viene costruito con unità distinte. Questi cosiddetti elementi della specie, o suoi caratteri elementari, sono concepiti come legati a portatori materiali (materielle Träger). Una forma speciale di portatore sostanziale (stofflicher Träger) corrisponde ad ogni carattere individuale. Questi elementi non hanno stadi di transizione tra di essi come le molecole della chimica (De Vries, 1900).

La posizione del botanico olandese diventa ancora piú interessante se si tiene conto che i portatori materiali dell’eredità non erano noti, nemmeno nella forma visibile al microscopio ottico, e quindi ben lontana dal livello molecolare. I cromosomi furono scoperti dal biologo americano Walter Sutton nel 1902, due anni dopo le riflessioni di de Vries, che – comunque – identificava gli «elementi» che «non hanno stadi di transizione tra di essi» come le «molecole della chimica». Il riferimento alle Moleküle der Chemie era chiaramente un riferimento a ‘oggetti’ disciplinari.

Esponente di una cultura scientifica ben diversa da quella di de Vries, Max Planck tenne una relazione sulla radiazione del corpo nero e sull’ipotesi dei quanti d’azione alla prima Conferenza Solvay del 1911. Fra quanti ascoltavano Planck possiamo ricordare Marie Curie, Einstein, Rutherford, Perrin, J.J. Thomson. Nel contesto estremamente impegnativo dell’argomento e del ‘pubblico’ Planck dette una sua interpretazione della differenza fra «fenomeni fisici e fenomeni chimici»:

Le forze fisiche, gravità, attrazioni o repulsioni elettriche e magnetiche, coesione, agiscono in un modo continuo, le forze chimiche, al contrario, secondo quanti. Questa legge dovrebbe essere connessa con quella che permette alle masse in fisica di agire l’una sull’altra in quantità qualsiasi, mentre in chimica esse possono agire solo in proporzioni nettamente definite, variabili in modo discontinuo (Planck, 1912).

Planck, un decennio dopo la proposta dei quanti di energia, stava ancora guardando alla scoperta della discontinuità in fisica secondo lo schema ottocentesco della divisione del lavoro fra le scienze, in cui la chimica era la scienza degli atomi e delle molecole.

1.1. Le pratiche di laboratorio

L’immensa base sperimentale della chimica disponibile all’inizio del Novecento aveva richiesto non solo l’impegno di migliaia di ricercatori, ma anche l’invenzione e il perfezionamento di centinaia di dispositivi di laboratorio, con le relative regole d’uso – regole da seguire anche per ovvie questioni di sicurezza. I campi di applicazione così vari della chimica avevano introdotto manipolazioni mirate al riconoscimento, all’isolamento, alla analisi e (possibilmente) alla sintesi delle sostanze piú diverse. Vi sono almeno due testimonianze inconfutabili dell’estrema varietà delle pratiche di laboratorio. La prima è data dall’elenco delle reazioni e dei reattivi in uso in chimica organica, che con una consuetudine risalente alla metà dell’Ottocento erano (e sono) designate con il nome del loro scopritore. Ad esempio, all’inizio del periodo che ci interessa, Victor Grignard, un giovane chimico organico dell’Università di Lione, si era visto assegnare come tema di ricerca lo studio di una particolare reazione che coinvolgeva tre sostanze: ioduro di metile, magnesio e metileptenone. Data l’incertezza dei risultati ottenuti, Grignard decise di eseguire la reazione in due stadi facendo reagire in un primo tempo magnesio e ioduro di metile in etere anidro. Questo ‘riordino’ della procedura con cui eseguire la reazione lo portò ad una scoperta di grande importanza: gli alogenuri alchilici reagiscono con magnesio dando una nuova classe di sostanze, gli alogenuri di alchilmagnesio. Si tratta di sostanze estremamente reattive che vengono impiegate come intermedi per la sintesi di altre, numerose classi di sostanze. La scoperta di Grignard fu comunicata da Henri Moissan all’Accademia delle scienze di Parigi l’11 maggio 1900. I reattivi di Grignard e la reazione di Grignard dimostrarono subito la loro utilità preparativa, e al loro scopritore fu assegnato il premio Nobel per la chimica nel 1912.

La seconda testimonianza della varietà delle tecniche di laboratorio è stata consegnata in grossi volumi che in dettaglio, e con centinaia di illustrazioni, descrivevano come montare un particolare apparato, il suo funzionamento, e le sue varianti piú usuali a seconda delle finalità specifiche che ci si proponeva. Molte di queste tecniche ebbero una vita breve, soppiantate da altre piú rapide, o piú precise o meno elaborate o meno costose – o tutte queste cose messe assieme. La vita oscura di simili innovazioni, chiusa nel piú ristretto ambito professionale, è affiorata nella memoria storica solo raramente, al contrario delle consuetudini di altre discipline sperimentali, come l’astronomia, che hanno conservato anche le tracce minute del loro passato strumentale. In alcuni casi, però, anche nella storia della chimica l’innovazione di laboratorio ebbe una tale portata da segnare delle svolte importanti, ben registrate dalla fama acquisita dagli innovatori. Nel 1831 Justus Liebig descrisse il suo nuovo apparato per la determinazione quantitativa dell’idrogeno e del carbonio nelle sostanze organiche. Lo strumento di Liebig riduceva i tempi di analisi, era meno pericoloso del precedente metodo di Berzelius, era piú preciso e richiedeva minore abilità sperimentale. Quest’ultimo parametro, del rapporto fra innovazione di laboratorio e professionalità del chimico, è stato di segno alquanto variabile perché, a seconda dell’apparato o della procedura, potevano essere estremamente diversi i tempi indispensabili per l’addestramento e le stesse capacità personali dello sperimentatore. Verso la fine del Novecento questa variabilità sarà ridotta, quasi annullata, dalle case produttrici di strumentazione di laboratorio che metteranno in commercio sempre piú spesso macchine sempre piú ‘intelligenti’, che per il loro uso non richiederanno altro che l’introduzione del campione (o quasi...). Tuttavia all’inizio del Novecento la standardizzazione della strumentazione era ancora da venire, e vi era un campo amplissimo per l’ingegno innovativo del singolo ricercatore. Un caso significativo, di cambiamento importante nelle pratiche sperimentali si ebbe con i contributi di Fritz Pregl, un biochimico austriaco a cui si deve la messa a punto delle prime tecniche di microanalisi in chimica organica.

Laureato in medicina, fin dall’inizio degli studi Pregl era interessato alla ‘chimica medica’, uno dei nomi con cui negli anni 1910 era ancora designata la biochimica. Dopo aver conseguito il titolo di Privatdozent in fisiologia nel 1899, si recò in Germania per approfondire le sue conoscenze di chimica, lavorando in laboratori assai diversi, come quello di Wilhelm Ostwald a Lipsia e quello di Emil Fischer a Berlino. Ritornato nella sua sede di lavoro a Graz iniziò delle ricerche sugli acidi biliari e sul colesterolo, che per la loro complessità e delicatezza avrebbero richiesto l’intervento di parecchi collaboratori; fu così, per difetto di posizione accademica, che Pregl iniziò a progettare e a costruire apparati di laboratorio che abbreviassero i tempi di assistenza ad operazioni tipiche quali l’estrazione con solventi da soluzioni acquose, o l’essicamento sotto vuoto. In questa fase dell’attività di Pregl spicca la costruzione di un forno di combustione automatico per le analisi elementari delle sostanze organiche. Nel 1910 la ricerca del nostro biochimico era giunta ad un punto morto. L’indagine strutturale degli acidi biliari richiedeva lo studio di reazioni di ‘demolizione’, e cioè di reazioni che decomponevano la sostanza in esame in sostanze piú ‘semplici’. Talvolta questi prodotti di demolizione erano ottenuti con rese molto basse, a partire da composti già disponibili in quantità assai ridotte. I metodi tradizionali di analisi richiedevano una quantità minima di sostanza che non poteva scendere al di sotto di parecchi decimi di grammo. Avendo ottenuto solo dei milligrammi dei prodotti di demolizione, per proseguire la ricerca Pregl aveva due scelte possibili. Se avesse operato a monte, avrebbe dovuto ripetere le operazioni di preparazione delle sostanze di partenza e le successive reazioni di demolizione su una scala dieci o cento volte maggiore. In alternativa, a valle dell’ottenimento dei pochi milligrammi delle sostanze di demolizione, avrebbe dovuto ‘guadagnare’ i due ordini di grandezza necessari per compiere analisi elementari, e reazioni di riconoscimento dei gruppi funzionali, sulla scala del milligrammo invece che sulla scala del decigrammo. Pregl scelse quest’ultima soluzione.

Friedrich Emich, un collega di Pregl a Graz, aveva aperto la strada verso accurate microanalisi di sostanze inorganiche, e il nostro biochimico che era un esperto meccanico e soffiatore di vetro cominciò a costruirsi da sé gli strumenti necessari per miniaturizzare le operazioni di laboratorio, introducendo anche innovazioni nei reattivi impiegati, ad esempio pentossido di fosforo per assorbire l’acqua sviluppata nelle combustioni. Oltre a dimostrare l’efficacia delle tecniche microanalitiche Emich aveva favorito l’uso di una bilancia prodotta ad Amburgo dal fisico e costruttore di strumenti Wilhelm Kuhlmann, così pure questa «bilancia da saggio per metalli rari» fu oggetto dell’interesse sperimentale di Pregl, che anche in questo seguí la grande tradizione chimica di (necessaria) eccellenza nelle misure gravimetriche. Pregl suggerì numerose modifiche e Kuhlmann migliorò di un ordine di grandezza la sensibilità della bilancia, portandola a 0,001 mg, con un peso massimo di 20 g. Una prima dimostrazione pubblica del nuovo metodo fu fatta a Vienna già nel 1910, ma il lancio internazionale della microanalisi organica fu fatto davanti al pubblico chimico piú esigente del mondo, quello della Deutsche Chemische Gesellschaft di Berlino. Il 27 febbraio 1911 Pregl argomentò con opportune dimostrazioni pratiche che era possibile ottenere un’analisi quantitativa di carbonio, idrogeno, azoto, zolfo e alogeni avendo a disposizione campioni fra i 7 e i 13 mg di sostanza. Per ottenere questi risultati straordinari Pregl aveva non solo miniaturizzato anche il metodo di determinazione dell’azoto dovuto a J.B. Dumas, e quello di determinazione dello zolfo e degli alogeni dovuto a L. Carius, ma aveva contestualmente identificato le numerose fonti di errore, e le aveva eliminate. Il successo della nuova tecnica analitica fu straordinario: Pregl fu coronato con il Nobel per la chimica nel 1923, e la microanalisi fu impiegata anche quando non era resa indispensabile dalla difficoltà di ottenere campioni cospicui, ma si dimostrava semplicemente utile per il risparmio di reattivi implicato dalla miniaturizzazione.

All’inizio del Novecento era in pieno sviluppo l’elettrochimica, una specialità chimica del tutto innovativa dal punto di vista delle pratiche di laboratorio e delle teorie che le orientavano. In effetti le leggi che chiamiamo di Faraday risalivano ai lavori di Michel Faraday del 1833 e 1834, tuttavia il grande scienziato inglese pensava che anioni e cationi si formassero al momento del passaggio della corrente. Nel 1857 Rudof Clausius aveva suggerito che un certo numero di ioni potevano esistere in soluzione, se gli urti tra le molecole del solvente e del soluto avessero avuto l’energia necessaria a causare la dissociazione. Al momento in cui Clausius aveva fatto la sua proposta Johann Hittorf, un altro fisico tedesco, stava lavorando da tempo sulla conducibilità degli elettroliti basandosi sulle congetture di Faraday. Convintosi della giustezza dell’ipotesi di Clausius cominciò a misurare i cambiamenti di concentrazione nelle vicinanze degli elettrodi, e per spiegarli introdusse l’idea di numero di trasporto, la frazione di corrente trasportata da un particolare ione. Negli anni 1860 e 1870 Friedrich Kohlrausch introdusse molti perfezionamenti sperimentali, fra cui l’uso di corrente alternata contro i fenomeni di polarizzazione degli elettrodi, e nel 1874 trovò che in condizioni opportune la corrente era proporzionale alla forza elettromotrice, un dato che avrebbe dovuto implicare la preesistenza di molti ioni in soluzione ma che il fisico tedesco non interpretò nella direzione che di là a dieci anni sarebbe stata quella imboccata dallo svedese Svante Arrhenius.

Arrhenius aveva 25 anni quando nella dissertazione per il dottorato propose una proto-teoria della dissociazione in soluzione. Non del tutto impropriamente la discussione della tesi si risolse in un mezzo insuccesso accademico, ma inviando la sua tesi a diversi scienziati si procurò il consenso del grande van’t Hoff e l’appoggio concreto di un alleato di grande prestigio, Wilhelm Ostwald. Le offerte di collaborazione di Ostwald al giovane ricercatore svedese smossero le autorità accademiche di Upsala che nel 1885 diedero ad Arrhenius la possibilità di un lungo viaggio di studio all’estero. Il viaggio si risolse in visite a chimici e a fisici tra i piú eminenti dell’epoca: Ostwald, Kohlrausch, Boltzmann, van’t Hoff e ancora Ostwald. Con simili interlocutori le idee del giovane chimico svedese maturarono velocemente e nel 1887 Arrhenius era in grado di proporre la teoria della dissociazione elettrolitica, secondo la quale in soluzione esiste un equilibrio fra le molecole indissociate e gli ioni, e che quindi l’effetto della forza elettromotrice è di muovere gli ioni attraverso il solvente e non di formarli. L’articolo di Arrhenius comparve sul numero di giugno della Zeitschrift für physikalische Chemie, la rivista che Ostwald e van’t Hoff avevano fondato in quell’anno. Nella stessa rivista van’t Hoff aveva già pubblicato un articolo formidabile in cui spiegava la pressione osmotica collegando il comportamento dei soluti in soluzioni diluite con quello dei gas; nello stesso articolo risolveva le anomalie riscontrate nell’applicazione delle leggi di Raoult sull’abbassamento crioscopico e l’innalzamento ebulliosopico, e per fare questo utilizzava la teoria della dissociazione di Arrhenius (che l’Autore dice di aver ‘udito’ dallo stesso Arrhenius). L’anno successivo, sempre sulle pagine della Zeitschrift für physikalische Chemie Ostwald, che era anche il Direttore della rivista, pubblicò tre contributi sulla sua legge di diluizione. La chimica fisica stava nascendo, fruendo di una notevole sinergia fra la termodinamica di van’t Hoff e l’elettrochimica di Ostwald e Arrhenius. Parallelamente le pratiche nei laboratori di chimica fisica erano sempre piú dominate dalle ricerche sugli elettroliti e di calorimetria.

All’inizio del Novecento il rapporto fra chimica organica e chimica fisica era molto debole, ma non assente del tutto. Mentre le spettroscopie nell’ultravioletto e nell’infrarosso muovevano appena i prima passi, la prima aveva già dato un contributo significativo, utile a prevedere il comportamento come coloranti delle sostanze organiche. Piú importante e diffusa nei laboratori di chimica organica era la determinazione dei pesi molecolari mediante l’applicazione di quelle leggi di Raoult di cui van’t Hoff aveva definitivamente provato (e garantito) i limiti. Un notevole impulso in questa direzione era stato dato da Ernst Beckmann, un riceratore tedesco che nella sua stessa biografia salda la ricerca in chimica organica con quella tipicamente chimica fisica. Nel campo della chimica organica diede il suo nome ad una certa reazione scoperta nel 1886, che viene tuttora chiamata ‘trasposizione di Beckmann’, ma la sua stessa pratica di ricerca lo mise subito dopo di fronte alla necessità di determinare il peso molecolare dei prodotti ottenuti in laboratorio. Incoraggiato da Ostwald che era diventato il suo Direttore a Lipsia, nel 1888 perfezionò un termometro differenziale che permetteva la misura di variazioni di temperatura dell’ordine del centesimo di grado, e che quindi portava a determinare con grande precisione i dati necessari per l’applicazione delle leggi di Raoult. I termometri di Beckmann contribuirono ad avvicinare la chimica organica alla chimica fisica, però il cammino sarebbe stato ancora molto lungo.

1.2. Le procedure conoscitive dei chimici

Il riferimento all’epistemologia disciplinare dei chimici è rilevante per diversi motivi. A questa particolare epistemologia deve essere ricondotto l’enorme successo della chimica nel dominio del mondo microscopico, e quindi nella riproduzione dei sistemi molecolari scoperti in natura. Va tenuto conto fin d’ora che essenzialmente qui risiede il nocciolo della pretesa di ‘onnipotenza sostitutiva’ dei prodotti naturali che i chimici hanno agitato a livello ideologico per piú di un secolo prima di poterla realizzare.

La chimica come disciplina autonoma si definisce con una specifica relazione fra mondo macroscopico e mondo microscopico, e quindi a fondamento dell’epistemologia chimica vi è l’opposizione fra ciò che è percepibile e ciò che non lo è. Storicamente, dobbiamo cogliere la relazione fra la fenomenologia macroscopica, l’unica veramente accessibile a livello sperimentale nel secolo XIX, e l’insieme di affermazioni sul mondo microscopico che a partire dagli anni 1870 avevano ormai un valore conoscitivo estremamente preciso. La fenomenologia del comportamento chimico e fisico delle sostanze considerava un ricco insieme di dati sperimentali (ad es., reattività, composizione, densità, cambiamenti di stato, calori specifici, attività ottica). Attraverso il processo selettivo di una miriade di congetture, teorie parziali, locali o addirittura individuali, i chimici avevano messo a punto un impressionante dispositivo interpretativo del mondo microscopico. Tale dispositivo era basato su un dialetto disciplinare i cui termini si potevano riferire ad oggetti (atomi, molecole, ioni), a relazioni fra questi oggetti (legami, strutture), a loro proprietà (valenza, basicità, volume), ed infine a processi in cui essi erano coinvolti (azione di massa, dissociazione, equilibrio). Il contenuto semantico di questi termini non era costituito solo da tratti rivolti all’interno del linguaggio stesso, ma, dato il carattere fortemente sperimentale della disciplina, esso faceva costantemente riferimento a pratiche di laboratorio. L’evoluzione tecnica di queste ultime, l’accesso a dati empirici nuovi (per quantità e qualità), il carattere dinamico della coerenza interna al dialetto disciplinare imponevano alla comunità dei chimici un’epistemologia debole e tollerante, tale per cui un certo scetticismo sulla realtà degli atomi, spesso solo esibito, si accompagnava ad impegni ontologici inequivocabili. Voglio qui ricordare, come esempio cruciale, l’uso dei volumi atomici degli atomi di ossigeno, a cui Hermann Kopp aveva assegnato due valori diversi, a seconda che l’atomo in questione scambiasse le proprie valenze con due atomi di carbonio (si parlerà poi di legami semplici) o con uno solo (legame doppio). Nel 1855 una semplice misura di densità dimostrò che di due formule proposte per l’acetaldeide era giusta quella che indicava il collegamento dell’atomo di ossigeno con un solo atomo di carbonio.

L’opposizione macroscopico/microscopico costituisce il nocciolo duro dell’epistemologia dei chimici, e su di essa riposa tutta la felice ambiguità del linguaggio chimico. Nel secolo trascorso dall’inizio del Novecento ai giorni nostri si sono aperte numerose vie d’accesso al mondo degli atomi e delle molecole, e quella opposizione spesso non è piú sentita come significativa, salvo accorgersi, al momento di dover usare una sostanza nel mondo reale, che entrano in gioco anche le sue proprietà macroscopiche, e non solo le proprietà microscopiche delle particelle che la compongono. Causa di ciò è il successo della teoria della struttura, che rappresenta all’interno della chimica ciò che sono la teoria darwiniana dell’evoluzione in biologia o la teoria einsteniana della relatività in fisica. Essa condivide con le teorie citate il duplice carattere esplicativo e predittivo, organizza e spiega una parte notevolissima dei dati empirici ottenuti in laboratorio e fornisce gli strumenti per progettare le strategie di attacco ai problemi di natura molecolare.

La nascita della teoria della struttura è coeva alla diffusione del pensiero di Darwin, in quanto i primi, importanti contributi vanno dal 1858 al 1866, con i lavori di A. Couper e A. Kekulé che indipendentemente propongono le prime formule di struttura basate sulla tetravalenza del carbonio nel 1858, di A.M. Butlerov che definisce il termine stesso di struttura nel 1861, di E. Frankland sul concetto di legame chimico nel 1865, e ancora di Kekulé nel 1866 annuncia un intero programma di ricerca basato sulla formula esagonale regolare del benzene. La teoria della struttura sarà richiamata piú e piú volte nelle prossime pagine, in particolare quando discuteremo la sintesi di laboratorio e industriale dell’indaco (Capitolo 4) e le ricerche sulla struttura degli ormoni sessuali (Capitolo 6), ma proprio perché già all’inizio del Novecento costituiva il fulcro delle procedure conoscitive dei chimici dobbiamo delinearne fin d’ora gli aspetti epistemici fondamentali. Innanzi tutto va tenuto presente che fino alla scoperta della diffrattometria con i raggi X (Capitolo 7) i chimici non erano in grado di descrivere compiutamente la geometria delle molecole, dando distanze e angoli di legame, ma – secondo la definizione di Butlerov – da un cumulo di dati empirici essi potevano soltanto dedurre la connessione (Zusammenhang) fra gli atomi che costituivano la molecola in esame.

Le specifiche procedure di laboratorio che servivano a procurare i dati necessari a dedurre la struttura della molecola di una sostanza organica erano centinaia, ma prima ancora di avviare la ricerca in questa direzione era necessario eseguire un’analisi qualitativa e quantitativa, determinare il peso molecolare e ricavare la formula bruta del composto. Se tutto era andato bene lo scienziato aveva davanti a sé la formula bruta del composto, ad es. C17H21NO4 per la cocaina, e il compito che aveva davanti consisteva nell’individuare le connessioni che nel caso della cocaina ‘tenevano insieme’ i 43 atomi della molecola. Per ricavare queste connessioni il chimico organico eseguiva esperienze di laboratorio, in modo parallelo o seriale, che erano in gran parte raggruppabili in tre categorie: riconoscimento dei gruppi funzionali, demolizioni, sintesi. Il riconoscimento dei gruppi funzionali, delle ammine ad esempio, mediante specifiche reazioni aveva seguito passo passo il progresso della chimica organica nella seconda metà dell’Ottocento, fino a diventare uno degli aspetti piú tipici della specialità. In questo settore si era sviluppato un processo cumulativo di conoscenze utili e utilissime, che dimostravano l’efficacia di teorie locali, la cui portata non andava oltre la spiegazione di una o piú reazioni, congegnate in modo da essere il piú selettive possibile rispetto alle loro finalità di ‘riconoscimento’. Queste teorie locali sono di grande interesse epistemologico perché l’esito della loro applicazione al bancone di laboratorio portava ad affermazioni impegnative sull’esistenza a livello microscopico di parti di struttura molecolare, un gruppo amminico –NH2, un gruppo ammidico = NH, un gruppo carbossilico –COOH, etc. Per quanto riguarda le reazioni di demolizione esse erano destinate a produrre sostanze note, o comunque di struttura presumibilmente piú semplice; dalla conoscenza della struttura di queste sostanze si cercava di risalire alla struttura del composto di partenza. Infine le sintesi riguardavano sia i composti ottenuti dalle demolizioni, nel caso che non fossero noti e fosse stato quindi necessario indagare la loro struttura, sia la sostanza in esame. In quest’ultimo caso si parlava di sintesi parziale se nella serie di reazioni lo scienziato utilizzava ancora composti con struttura nota, ma non ancora ottenibili in laboratorio con una sequenza di reazioni che, almeno in linea di principio, fosse in grado di connettere il composto in esame con le sostanze elementari che lo costituivano. Quest’ultima sequenza di reazioni era chiamata sintesi totale, il cui primo esempio risaliva al 1848, quando Hermann Kolbe aveva sintetizzato l’acido acetico seguendo questo schema:

C + S → CS2 → CCl4 → Cl2C=CCl2 → Cl3C-COOH → H3C-COOH

Per il suo andamento epistemico la sintesi totale non è altro che una dimostrazione, che ha come esito un’affermazione di esistenza e di unicità di una struttura molecolare, ed è per molti aspetti simile alla dimostrazione di un teorema. Nel caso di composti naturali complessi la sintesi totale rappresentava la sfida suprema per il chimico organico, come si può vedere nella sequenza temporale dei lavori di Richard Willstätter sulla cocaina. Willstätter aveva cominciato ad occuparsi della cocaina in modo marginale nel 1894, al momento della tesi laurea, per poi impegnarsi a fondo collegando lo studio di questo composto con quello della tropina, una sostanza strettamente correlata alla cocaina. Nel 1901 Willstätter determinò la struttura della cocaina, nel 1903 ne ottenne la sintesi parziale e finalmente nel 1923 conquistò la sintesi totale, quasi trenta anni dopo l’inizio delle ricerche.

Le procedure conoscitive praticate nei laboratori chimici seguivano anche altre linee direttrici, fra le quali almeno quattro vanno menzionate. La scoperta di ogni nuova sostanza portava (da sempre) ad una attività combinatoria con molte altre sostanze, sia per caratterizzare chimicamente la sostanza iniziale, sia per ‘trovarne’ delle altre nello stesso processo combinatorio. Questa attività combinatoria non solo era all’inizio del Novecento ben radicata nella storia della disciplina, ma, come vedremo nel Capitolo 15, verso la fine del secolo essa si sarà sviluppata come asse epistemologico portante di una nuova specialità: la chimica combinatoriale. Una seconda linea direttrice classica delle procedure conoscitive si riferiva ad un concetto limite fondamentale, la purezza della sostanza in esame. Si tratta di un concetto mobile, dipendente in modo integrale dalle conoscenze chimiche e fisiche del tempo. All’inzio dell’Ottocento si erano consolidati i criteri di purezza sia per le sostanze inorganiche, sia per quelle organiche, tuttavia durante il secolo si erano avute almeno due svolte decisive: l’introduzione della spettroscopia atomica aveva permesso di rintracciare la presenza di ‘impurezze’ (forse un nuovo elemento!) a concentrazioni bassissime; la scoperta dell’isomeria ottica da parte di Pasteur nel 1848 aveva fatto sí che si potesse eseguire una procedura di purificazione (o isolamento) degli ‘antipodi ottici’, entità di cui prima di quell’anno non si sospettava nemmeno l’esistenza. La spiegazione del fenomeno a livello strutturale da parte di van’t Hoff nel 1874 aveva messo nelle mani dei chimici una correlazione preziosa, fra un comportamento fisico della sostanza – la rotazione del piano della luce polarizzata – e un aspetto strutturale delle sue molecole – la presenza di un atomo di carbonio ‘asimmetrico’. Nel Novecento il concetto di purezza eseguirà innumerevoli movimenti asintotici attraverso la messa a punto di strumentazione analitica di una sensibilità impressionante, ma avrà anche dei mutamenti piú profondi attraverso la scoperta degli isotopi. Fra la fine degli anni 1910 e i primi anni 1920 Aston chiarirà che quasi tutti gli elementi hanno piú di un isotopo, così da allora in poi si poté anche pensare che una sostanza elementare fosse piú o meno isotopicamente pura. Questo tipo di purezza mobiliterà scienza e tecnologia ad un livello senza precedenti quando negli Stati Uniti si preparò l’uranio-238 per le prime bombe atomiche. Una volta che la nascita di un nuovo individuo chimico fosse stata certificata sulla base dell’invarianza di certe proprietà, ci si avviava in una terza direzione, già cercata o almeno intravista durante la preparazione e l’isolamento della sostanza. Si trattava di classificare la particolare sostanza contenuta nella fiala sigillata o posata sul vetro d’orologio; lo stesso numero altissimo, sempre crescente e qualitativamente diversificato, di questi individui chimici imponeva un’attenzione costante alla questione della classificazione: da una parte si dava ordine alla miriade di corpi, anche per la necessità pratica di padroneggiare un enorme corpus di dati empirici, dall’altra si accettava spesso un’irriducibile diversità, con l’aumento delle categorie usate nella classificazione; è questo un tratto ‘debole’ e fertilissimo dell’epistemologia chimica, che distingue tuttora, e nettamente, la chimica dalla fisica. La classificazione delle sostanze non è mai stata priva di difficoltà e ambiguità, ed era comunque basata sulla conoscenza – correlata e spesso parziale – della reattività della sostanza e della struttura molecolare. Torneremo ancora su questo punto verso il termine della nostra ricerca, quando potremo considerare in retrospettiva i rapporti stabilitisi nel Novecento fra chimica e biologia.

Infine la determinazione e l’uso di costanti quali i pesi atomici ancorava tutta la pratica chimica ad un livello di precisione nelle misure che la accomunava alla fisica, e nello stesso tempo forniva alla disciplina uno strumento conoscitivo – le costanti, appunto – che le scienze naturali dell’epoca non avevano sotto alcuna forma. Si deve anche sottolineare che i chimici formalizzarono la loro unità di misura fondamentale, la mole, proprio all’inizio del periodo che ci interessa, nei primi anni 1890.

Riepiloghiamo queste quattro direttrici di indagine che oltre alla determinazione delle strutture molecolari caratterizzano l’epistemologia dei chimici. Tutte e quattro riguardano le sostanze: attività combinatoria sperimentale, definizione e ricerca della purezza, classificazione, determinazione di costanti. È opportuno sottolineare che tutte e quattro le procedure riguardano le sostanze, perché esse richiedono anche operazioni che vengono compiute nel mondo reale, in genere in laboratorio, e non soltanto a tavolino, nel mondo delle idee. Il rapporto di queste procedure conoscitive con il dispositivo interpretativo del mondo microscopico cui si accennava poco sopra è molto diverso, ed è mutato radicalmente durante il Novecento, al punto che questo mutamento è uno dei tratti che meglio caratterizza la storia della chimica nel secolo scorso. Va anche detto che negli ultimi decenni del Novecento è comparsa una strumentazione che ha fatto nascere un mondo conoscitivo internedio fra quello sperimentale, che abbiamo definito mondo reale, e quello teorico, che abbiamo chiamato mondo delle idee. Il mondo virtuale, generato dall’uso intelligente e potente dei calcolatori, ha conquistato territori che prima appartenevano alla chimica sperimentale e alla chimica teorica. Di questi nuovi territori parleremo piú volte negli ultimi capitoli.

Prima di passare ad un’analisi dei problemi conoscitivi che rimanevano insoluti all’inizio del Novecento, è importante soffermarci su una questione in cui si intrecciano aspetti complessi, emersi dalla sociologia della conoscenza, dall’epistemologia storica, e dalla storia tout court. Si tratta dei criteri di rilevanza secondo i quali gli scienziati, qui i chimici, dispongono gerarchicamente i temi di ricerca e scelgono di lavorare su un tema specifico come il piú adatto alle loro specifiche possibilità operative, locali o individuali,. È evidente che è un nodo intricato, che connette in modo intrinseco gli aspetti strettamente epistemici delle pratiche conoscitive con quelli di piú evidente contenuto sociale ed economico (le risorse umane e materiali messe in gioco nella ricerca). Dal punto di vista dei criteri di rilevanza l’orizzonte di ricerca della chimica classica ha privilegiato la riproduzione delle sostanze naturali, facendo emergere di volta in volta come eroi i chimici protagonisti di sintesi inattese o difficili, dalla preparazione accidentale dell’urea (F. Wöhler nel 1826) alla sintesi totale della cocaina (R. Willstätter nel 1923). In realtà Willstätter aveva già avuto il suo premio Nobel nel 1915, per le ricerche su un’altra sostanza naturale, la clorofilla. Il passaggio dall’araldica degli eroi all’ideologia è facile, e sarà considerato poco oltre, tuttavia prima di lasciare l’analisi formale dell’epistemologia si deve sottolineare un fatto rilevante, che dà una certa concretezza alla stessa analisi formale. Abbiamo visto che la sintesi totale di una sostanza naturale è la verifica finale dell’insieme di congetture, proposte genetiche, mappe molecolari, che i chimici hanno elaborato su quella certa (importante) sostanza, ma l’importanza della sostanza è molto spesso terapeutica, sociale, economica, come si intende subito richiamando nomi quali cortisone, penicillina, caucciù. Così la riproduzione di una sostanza naturale si pone al culmine delle pratiche conoscitive dei chimici per una potente sinergia fra fattori esterni alla disciplina e valori interni ad essa.

1.3. Problemi aperti. e quali problemi...

Nella storia di una disciplina vi è una precisa dialettica tra la sua completezza teorica e la pratica sperimentale. I problemi che nel patrimonio conoscitivo sono ancora insoluti sono i piú preziosi, perché rappresentano lo stimolo maggiore per l’impegno di teorici e sperimentali. Nel caso in cui non vi siano piú problemi aperti, o, con maggiore probabilità, nel caso in cui i problemi aperti siano ritenuti insolubili, allora la comunità disciplinare si rivolge a coltivare in profondità e con virtuosismi tecnici i campi già arati. Quest’ultima situazione conoscitiva non era certamente quella della chimica tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento, e possiamo apprezzare fino a che punto le teorie chimiche si ponessero come strutture aperte – in evoluzione – proprio considerando le due di maggior successo: il sistema periodico degli elementi e la teoria della struttura molecolare.

Per quanto riguarda la comunità internazionale dei chimici il sistema periodico divenne noto attraverso gli articoli del 1870 del tedesco Lothar Meyer e del 1871 del russo Dmitrii Mendeleev. I contributi furono pubblicati a distanza di un anno esatto sul Supplementband degli Annalen der Chemie diretti da Julius Liebig. In realtà non vi sono questioni di priorità, perché Mendeleev aveva già pubblicato precedentemente dei contributi parziali, e Meyer era giunto al sistema periodico per una via diversa da quella battuta dal collega russo. Dopo un decennio di incubazione il sistema periodico aveva conquistato lo statuto di una teoria in grado di organizzare le conoscenze chimiche e fisiche sugli elementi. In particolare assumeva rilievo l’andamento regolare e, appunto, periodico della reattività degli elementi, sia dal punto di vista qualitativo delle proprietà elettrochimiche sia da quello quantitativo, addirittura secondo numeri interi, della valenza. Il problema fondamentale del sistema era che non c’era nemmeno uno spiraglio che permettesse di intravedere perché esistesse un ordine lineare degli elementi in base al peso atomico. Questo ordine presentava qualche eccezione, e per di piú la progressiva scoperta di una decina di elementi successivi al lantanio stava creando un affollamento ingovernabile in una precisa zona della tabella periodica, l’usuale rappresentazione grafica del sistema. Le difficoltà aumentarono dalla scoperta dei gas nobili avvenuta nel 1894, in questo caso per un rapporto straordinario tra base sperimentale e apparato teorico. L’esistenza dei gas nobili con valenza zero non era prevedibile all’interno del sistema, che era basato sul ripetersi di valenze da uno a otto, e tuttavia essi trovarono subito posto nel sistema; fu il carattere necessario di appartenenza ad una famiglia del primo elemento scoperto, l’argo, a spingere William Ramsay a ricercare in un minerale d’uranio un gas inerte, prima ritenuto essere azoto, ed invece risultato poi essere un nuovo elemento, l’elio. La scoperta dei gas nobili, la messa in luce di un tipo di materia incapace di dare reazioni chimiche, letteralmente scovolse Mendeleev che abbandonò ogni speranza di trovare una soluzione newtoniana della reattività. All’inizio del Novecento il sistema periodico era perciò una struttura teorica molto aperta – se così si può dire.

In realtà, non meno aperta era anche la teoria della struttura, a partire dalla sua connessione con il sistema periodico, e cioè la valenza degli elementi che contribuivano alle strutture molecolari. Il significato fisico della valenza era del tutto oscuro, e così pure quello del legame chimico. Nel caso del legame fra atomi identici, dove non si poteva invocare una differenza di elettronegatività l’oscurità diventava totale. Altrettanto buia era la situazione conoscitiva per tutti gli aspetti geometrici delle molecole, indagati e accettati dai chimici in casi importanti come la simmetria planare del benzene e la tetraedricità dei legami del carbonio in chimica organica, a cui facevano riscontro tutti i complessi planari quadrati, tetragonali e ottaedrici della chimica inorganica. I molti interrogativi non erano di interesse meramente fondazionista. Era necessario saperne di piú anche per motivazioni di grande peso che venivano dai confini della disciplina.

Nel 1894, lo stesso anno della scoperta dei gas nobili Emil Fischer, uno

dei piú grandi chimici di ogni epoca, aveva pubblicato un articolo sui Berichte della Società Chimica Tedesca dal titolo «Influsso della configurazione (Configuration) sull’attività degli enzimi» in cui scriveva:

Per usare un’immagine, potremmo dire che enzima e glucoside devono combaciare l’un l’altro come la chiave e la serratura, affinché fra di loro si possa esercitare un’attività chimica (Fischer, 1894).

È questa la prima espressione della poi famosa Schlüssel-Schloß-Beziehung, le relazione chiave-serratura, il cui certificato di nascita indica a chiare lettere il carattere ‘locale’ della congettura. Prima di avere descrizioni geometricamente significative dei siti attivi degli enzimi dovranno trascorrere tre generazioni dall’immagine suscitata da Fischer, e anche questo sviluppo conoscitivo sarà uno dei temi della nostra ricerca.

Piú trascurato nelle prossime pagine sarà invece l’ultimo grande problema posto sul tappeto alla fine dell’Ottocento da Alfred Werner. Nel 1893 il ventiseienne Werner pubblicò un ampio saggio sulla Zeitschrift für anorganische Chemie, in cui proponeva una teoria sulla «costituzione dei composti inorganici», che da allora si è posta ed è rimasta a fondamento del campo dei complessi inorganici. L’articolo fu scritto di getto fra le due e le cinque del mattino, in una notte di passione seguita ad un lampo di intuizione che aveva buttato giù dal letto il giovane chimico. Questo aneddoto non deve trarre in inganno, il vigore di Werner non si espresse ‘soltanto’ in una creatività teorica senza pari, ma in anni e in anni di ricerca sperimentale condotta nelle catacombe dell’Università di Zurigo, insieme ad oltre 200 allievi di dottorato. George Kauffman ha stimato in oltre ottomila i campioni di complessi preparati da Werner, e conservati nella sua collezione: «fermamente convinto della correttezza della sua teoria, dedicò il resto della sua carriera ad una serie di ricerche sperimentali, quasi senza precedenti, in cui esplorò quasi ogni aspetto concepibile della chimica della coordinazione» (Kauffman, 1994). Le prime clamorose conferme giunsero già nel 1894, dal lavoro congiunto di Werner e del chimico italiano Arturo Miolati, che dimostrarono con misure di conducibilità la correttezza delle previsioni basate sulla teoria del numero di ioni presenti in soluzione. L’articolo fondante del 1893 non soltanto è ricchissimo di novità, ma fa risaltare la consapevolezza epistemologica di Werner, che scrisse:

Devo affermare la mia convinzione che questo punto di vista (Ansicht) è corretto, anche se è in opposizione alle nostre attuali opinioni (Ansichten) sulla costituzione dei composti, così come si sono evolute dallo studio dei composti di carbonio (Werner, 1893).

Werner si era reso conto di aver dovuto superare un duro ostacolo conoscitivo, e che questo ostacolo era costituito dalla teoria strutturale dei composti organici, da cui si ‘deducevano’ anche per i composti inorganici legami, che per numero e direzionalità non corrispondevano affatto a quelli da lui proposti. Con un esplicito ‘ritorno’ alla teoria elettrochimica di Berzelius, con l’uso del concetto di composto molecolare elaborato da Kekulé, e con il suo originale sviluppo strutturale del concetto di coordinazione, Werner ampliò notevolmente l’orizzonte molecolare della conoscenza chimica.

1.4. L’ethos dei chimici

Nella situazione conoscitiva degli scienziati, come in quella di tutti noi, rientra non solo l’insieme delle conoscenze e delle connesse regole per il loro uso epistemico, ma anche i criteri di selezione di ciò che è ritenuto ‘conoscenza’, e di valutazione delle applicazioni pratiche delle conoscenze acquisite. Questi criteri di selezione svolgono un ruolo preciso nell’orientamento piú generale della professione di chimico, orientamento di cui i comportamenti visibili, il bon ton dello scienziato, sono l’espressione piú superficiale, mentre esso è in realtà articolato a partire da un insieme piú profondo di norme morali e ideali, di motivazioni soggettive, di canoni di giudizio delle azioni proprie e altrui. Questo insieme eterogeneo definisce nel complesso l’ethos di una comunità. Va anche sottolineato che l’ethos è l’espressione concreta, storicamente determinata, della posizione e dei compiti che una certa comunità intende assumere, in relazione alla società nel suo complesso e in vista del conseguimento di certi obbiettivi comuni. All’inizio del Novecento l’ethos dei chimici era consolidato da tempo, in un processo durato per buona parte dell’Ottocento, con un intreccio continuo fra crescita della specializzazione, sviluppo dell’industria chimica e impatto sociale. Diversi aspetti dell’ethos disciplinare hanno influenzato potentemente la storia della chimica del Novecento, qui all’inizio del nostro percorso si deve mettere in evidenza quello che è forse il tratto piú significativo: la vocazione a migliorare la natura, con tutto ciò che questa vocazione implica di positivo e di negativo per la disciplina, la professione e la società.

La riproduzione di una sostanza naturale, o anche di una miriade di sostanze naturali, non implica il passaggio essenziale che i chimici hanno compiuto dal fatto della riproduzione, sempre particolare, di una singola sostanza, alla pretesa ideologica della riproducibilità di tutte le sostanze naturali (a questa pretesa nella prima metà dell’Ottocento si opponevano non meno ideologicamente i vitalisti). Qualche citazione sarà sufficiente per indicare le lontane radici e l’andamento nel tempo di questo atteggiamento ideologico in favore di un mondo sostituito. Nel 1841 J.B. Dumas era appena giunto in possesso dei primi dati precisi sulla composizione dell’indaco, un colorante vegetale di notevole importanza economica; il contesto della citazione è un articolo scientifico pubblicato sui prestigiosi Annales de Chimie: «sono fatti che promettono una soluzione prossima ai problemi che si pongono sulla natura intima dell’indaco o relativamente ai processi che permetteranno di produrlo artificialmente» (Dumas, 1841). La natura intima dell’indaco sarà resa nota da Adolf Baeyer solo nel 1881, e, come vedremo nel Capitolo 4, l’immissione sul mercato dell’indaco sintetico dovrà attendere ancora quasi venti anni. Al momento della pubblicazione Dumas era l’indiscusso caposcuola della chimica francese, e quindi le sue opinioni avevano un forte peso sull’intera comunità scientifica europea.

Una seconda citazione può essere tratta da un discorso del successore di Dumas come patron della chimica francese. Fino alla morte avvenuta nel 1907 Marcelin Berthelot si mantenne ai vertici del potere accademico, e solo intorno al 1897 cominciò ad accettare le formule di struttura che ormai da quasi quaranta anni guidavano i chimici organici lungo i complicati percorsi che portavano a nuove sintesi. Nell’aprile del 1894, quando tenne una conferenza su «La chimica nell’anno 2000» davanti alla Camera Sindacale dei prodotti chimici di Parigi, Berthelot, che pure non aveva ancora superato i suoi dubbi sul pensiero strutturale, proclamava: «nell’anno 2000 [...] il problema dell’esistenza fondato sulla cultura del suolo sarà stato soppresso dalla chimica!». Per il maestro francese l’unico limite alla potenza sintetica della chimica era dato dal costo dell’energia:

Il giorno in cui l’energia sarà ottenuta economicamente non si tarderà un istante a fabbricare gli alimenti, col carbonio attinto all’acido carbonico, coll’idrogeno e l’ossigeno presi dall’acqua, coll’azoto estratto dall’atmosfera.

E subito dopo aggiungeva:

Noi facciamo già quanto i vegetali hanno fatto sino ad ora con l’aiuto dell’energia presa dall’universo ambiente, e lo faremo ben presto meglio, in modo piú largo e perfetto che non la natura, poiché è tale appunto la potenza della sintesi chimica (Berthelot, 1894).

Erano i tempi del balletto Excelsior, e il titolo del balletto avrebbe potuto essere quello di molte conferenze tenute dai chimici in tutta Europa; i corsivi introdotti nella citazione sottolineano un’espressione utilizzata da Berthelot per due motivi: il perfezionamento della natura è un tema ricorrente, tradizionale nel discorso sulla trasformazione artificiale delle sostanze fin dai tempi dell’alchimia (fu un grido costante di Paracelso); a questo tema per così dire ortodosso lo scienziato francese premette un formidabile già del tutto propagandistico, privo di qualunque consistenza documentaria.

In realtà la chimica era in grado di produrre miglioramenti locali, e di portarli – non senza contraddizioni – al livello della produzione materiale. La saccarina era stata sintetizzata nel 1879 da C. Fahlberg e I. Remsen. Fahlberg aveva ottenuto un brevetto nel 1884 e nello stesso anno aveva iniziato la produzione in grande del dolcificante. Nel 1902 il cartello tedesco dello zucchero da barbabietola ottenne la messa fuori legge della produzione della saccarina, se non a fini dietetici. Un rimborso di 4 milioni di marchi tacitò i produttori tedeschi, e la produzione industriale della saccarina si spostò in Svizzera e negli Stati Uniti. Ma forse l’ambito in cui piú orgogliosamente i chimici ‘miglioravano’ la natura era quello del tempo necessario alla preparazione delle sostanze: le ricerche sulla catalisi si svilupparono a pieno nel volgere del secolo, spinte – come vedremo in qualche dettaglio – dalla necessità di accelerare la velocità di reazione dei processi industriali. Al di là delle pretese ideologiche degli scienziati, però, la ricerca di una sostanziale autonomia dalla natura era una cosa seria e da prendere piuttosto seriamente, da parte degli imprenditori, non meno che da parte dei politici. Nel corso dell’Ottocento infatti si andò stabilendo una connessione particolare fra chimica, ingegneria chimica e produzione materiale, una connessione contraddistinta appunto da questo tratto: la ricerca, lo sviluppo e il controllo delle risorse non davano in nessun modo per scontato l’esistente e il noto, anche quando essi erano incardinati in un presunto monopolio naturale. Quando negli anni 1830 il destino dello zolfo siciliano fu messo nelle mani di un sindacato francese che ne controllava la commercializzazione, si sviluppò in tutta Europa la produzione di anidride solforosa a partire dall’arrostimento delle piriti, i cui giacimenti si trovarono ovunque al centro di nuove iniziative di coltivazione. In Piemonte, ad esempio, gli Sclopis ottennero la concessione delle miniere di pirite di Brosso, vicino ad Ivrea, nel 1839, rendendosi anch’essi autonomi dalle importazioni siciliane e rinvigorendo così la loro produzione di acido solforico. L’esercizio dei monopoli naturali divenne piú rischioso, proprio perché essi furono l’obiettivo piú visibile sull’orizzonte produttivo della grande industria chimica.

Parte Prima

Mutazioni

1945-1975

Capitolo secondo

Chimica e fisica dell’atomo

Tra la fine dell’Ottocento e la prima guerra mondiale le scienze sperimentali furono costrette a rivedere buona parte dei loro fondamenti teorici: in biologia si ebbe la nascita della genetica classica, in fisica iniziò l’avventura quantistica e si aprì l’orizzonte della relatività, in chimica si ebbe una serie di rivolgimenti che toccarono i fondamenti stessi della disciplina. In questo capitolo seguiremo l’intreccio di avvenimenti che coinvolsero chimica e fisica a proposito della radioattività, della trasmutazione degli elementi, della scoperta degli isotopi e dei modelli atomici. Nel racconto che segue cercheremo di cogliere il misto di novità e sorpresa, previsione e attesa, che fu vissuto in quel periodo straordinario dagli scienziati interessati al mondo microscopico.

2.1. La scoperta della radioattività

All’inizio dell’ultimo decennio dell’Ottocento la natura dei raggi catodici era considerato uno dei pochi interrogativi ancora da risolvere, in un panorama scientifico che molti fisici ritenevano ormai organico e quasi completo. In realtà fu proprio lo studio sperimentale dei raggi catodici ad avviare una vera e propria svolta nella fisica e nella chimica. Nel novembre 1895 Wilhelm Röntgen scopre che l’impatto dei raggi catodici sul vetro del tubo in cui essi sono prodotti provoca l’emissione di un nuovo tipo di raggi, dalle proprietà straordinarie: sono capaci di passare attraverso un cartone nero (e svariati altri materiali, fra cui la sua mano, escluse le ossa), di rendere fluorescenti dei cristalli di platinocianuro di bario, nonché di impressionare le lastre fotografiche. Röntgen chiama questi raggi misteriosi raggi X. I primi articoli pubblicati da Röntgen testimoniano la sua sorpresa, l’euforia, l’incertezza del ricercatore che cerca di comprendere, o almeno di caratterizzare, cosa ha scoperto. La scoperta dei raggi X avvenne in modo casuale, e altrettanto casuale sarà di lí a poco la scoperta dei ‘raggi uranici’.

Nel gennaio 1896 Henri Becquerel assiste, all’Accademia delle Scienze di Parigi, all’esibizione delle prime lastre mediche ottenute con il metodo di Röntgen. Esperto di fluorescenza e fosforescenza, avendo appreso che i raggi X si sprigionano dalla stessa zona del tubo resa fluorescente dall’impatto dei raggi catodici, si chiede se i due fenomeni siano collegati e se altre sostan ze fluorescenti siano in grado di produrre questa nuova radiazione. Espone quindi al sole dei campioni di sali d’uranio, fluorescenti, e conferma la sua previsione che questi, attraverso la carta opaca, avrebbero impressionato una lastra fotografica. L’esistenza della nuova fenomenologia dei sali fluorescenti d’uranio fu comunicata all’Accademia delle Scienze di Parigi il 24 febbraio 1896, un lunedì. La pratica scientifica canonica ha funzionato perfettamente, alla previsione è seguito il risultato sperimentale. Ma fortunatamente anche nella scienza avvengono gli imprevisti, infatti nel giro di una settimana Becquerel compie accidentalmente la scoperta che lo renderà celebre: i sali di uranio, pur senza essere stati esposti al sole e quindi senza presentare fluorescenza, sono in grado di lasciare la propria immagine su una lastra protetta dalla luce. La lastra fatale su cui un campione non esposto al sole aveva lasciato la sua impronta era stata sviluppata la domenica successiva alla seduta accademica del 24 febbraio, ossia il 1° marzo. Il giorno dopo, lunedì 2 marzo, il nostro fisico leggeva all’Accademia una note in cui annunciava l’indipendenza delle radiazioni da una previa esposizione dei sali alla luce. Di fronte al fatto che questa attività persisteva nonostante il materiale fosse stato tenuto a lungo e costantemente al buio, Becquerel si convince di avere scoperto un fenomeno nuovo, intrinseco al minerale studiato, e battezza i nuovi raggi «uranici» (novembre 1896): «la durata dell’emissione di questi raggi è del tutto al di fuori dei fenomeni ordinari di fosforescenza, e non si è ancora potuto riconoscere dove l’uranio prenda l’energia che emette con una persistenza così lunga» (Becquerel, 1896). Nei primi sei mesi del 1896 Becquerel pubblicò otto note sui raggi uranici, poi la cadenza delle comunicazioni si attenuò con una sola comunicazione nel secondo semestre, per poi estinguersi completamente dopo due ultime note nei primi mesi del 1897. Per tutto questo periodo il fisico parigino fu guidato dall’analogia con i raggi X, così già in marzo scoprí che i raggi uranici avevano il potere di scaricare i corpi carichi di elettricità, ma il dato piú sorprendente fu l’accertamento che le radiazioni venivano emesse anche da un campione di uranio metallico.

Rispetto a questi nuovi raggi le reazioni della comunità scientifica nel suo complesso furono piuttosto modeste. Da una parte i raggi X costituivano un concorrente imbattibile in quanto avevano proprietà piú vigorose dei raggi uranici e, al contrario di questi, non erano un balzano fenomeno naturale, ma potevano essere prodotti e riprodotti in laboratorio. Dall’altra la determinazione della natura corpuscolare dei raggi catodici dovuta a J.J. Thomson, e annunciata sul Philosophical Magazine nell’ottobre 1897, aveva ancor piú messo in ombra la fenomenologia di Becquerel. Solo in Inghilterra, nel 1897, era stata fatta qualche esperienza di conferma delle proprietà ionizzanti dei raggi uranici. È in questo contesto scientifico – non particolarmente eccitante – che iniziò le sue ricerche Marya Sklodowska.

Nata in Polonia, spirito libero e impregnato di cultura scientifica, Sklodowska si era recata a Parigi sia perché era una delle grandi capitali della scienza, sia perché nella sua patria, allora sotto il dominio russo, l’accesso all’Università era impedito alle donne. Dopo la licenza in fisica conseguita nel 1893, Sklodowska sposa, nel 1895, Pierre Curie, altro notevole spirito, con cui condivide lavoro, principi morali, devozione alla scienza. Dopo il matrimonio P. Schütz, direttore del laboratorio dell’École municipale de Physique et de Chimie industrielles, crea una cattedra di fisica per Pierre Curie (che ha già ottenuto notevoli successi scientifici: ha scoperto, insieme al fratello Paul, il fenomeno della piezoelettricità ed ha condotto studi fondamentali sul magnetismo). Sklodowska lavora nel laboratorio in qualità di assistente. Nel 1897 nasce la prima figlia Irène, ma la giovane polacca è intenzionata a proseguire i suoi studi, e dovendo scegliere un argomento per il dottorato di ricerca Sklodowska resta colpita dalla recente scoperta dei raggi uranici. Così, d’accordo con il marito, decide di occuparsene, avendo per tutta bibliografia le note di Becquerel all’Accademia. Il primo passo è misurare il potere di ionizzazione dei raggi uranici utilizzando un condensatore a piatti ed un elettrometro associato ad un quarzo piezoelettrico. La disposizione sperimentale le permette di misurare con precisione il tempo impiegato da una certa sostanza a neutralizzare una carica di riferimento. Ben presto arriva alla conclusione che questi raggi sono una proprietà atomica e, per verificare se siano o no emessi dal solo uranio, decide di analizzare tutti i corpi chimici noti. Estrema sistematicità sperimentale – e notevole curiosità – fanno sí che essa non si limiti allo studio dei sali e degli ossidi piú semplici, ma analizzi tutti i minerali su cui riesce a mettere le mani: scopre che anche il torio emette spontaneamente i raggi uranici, ma intuisce pure la presenza di un nuovo elemento grazie all’eccessiva attività di alcuni minerali:

I minerali che si sono mostrati attivi contengono tutti degli elementi attivi. Due minerali d’uranio: la pechblenda (ossido d’uranio) e la calcolite (fosfato di rame e di uranile) sono molto piú attivi dell’uranio stesso. Questo fatto è notevole e porta a credere che questi minerali possano contenere un elemento molto piú attivo dell’uranio. Ho riprodotto la calcolite tramite il procedimento di Debray con dei prodotti puri; questa calcolite artificiale non è piú attiva di un altro sale di uranio (Sklodowska Curie, 1898).

Questa prima nota venne presentata all’Accademia delle Scienze di Parigi il 12 aprile 1898.

Si è visto che al di fuori della sede parigina l’interesse per i raggi uranici era stato molto scarso, e tuttavia la prima, importante scoperta di Sklodowska, la radioattività del torio, fu anticipata davanti alla Società fisica di Berlino il 4 febbraio 1898, piú di due mesi prima della note della nostra chimica francopolacca. La comunicazione era stata inviata nella capitale tedesca il 25 gennaio da Gerhard C. Schmidt, un fisico che lavorava all’Università di Erlangen e che fino ad allora si era occupato di temi quali luminescenza, spettroscopia, scariche elettriche e raggi catodici. Schmidt propose i suoi risultati non solo a Berlino, ma anche a Parigi con una note pubblicata nel maggio 1898, quindi all’orizzonte di ricerca di Sklodowska non mancava un abile competitore, che anzi – a scanso di equivoci di priorità – si era spinto a pubblicare sugli stessi Comptes Rendus, il giornale per eccellenza della comunità scientifica parigina. A questo punto, viste le brillanti premesse, Pierre Curie abbandona gli studi che sta compiendo e per isolare il nuovo elemento comincia a collaborare con la moglie, che da allora comincerà a firmare gli articoli come M.me Curie, abbandonando il suo cognome polacco. I contributi scientifici dei due coniugi diventano quindi indistinguibili. In una comunicazione del 18 luglio 1898, essi annunciano la scoperta di un nuovo elemento, sia pure con la cautela di rigore dato che la nuova sostanza semplice non è stata ancora isolata, e nemmeno se ne è ottenuto un composto allo stato puro: «Se l’esistenza di questo nuovo metallo sarà confermata, proponiamo di chiamarlo polonio, dal nome del paese d’origine di uno di noi» (Curie e S. Curie, 1898). Durante il (lungo) processo di frazionamento per isolare il polonio i Curie si accorgono che la radioattività si concentra non in una, ma in due delle frazioni ottenute dal trattamento della pechblenda e già dal titolo della nota del 26 dicembre (sempre nel 1898) emerge lo stupore per l’entità dell’attività del secondo elemento: «Su una nuova sostanza fortemente radioattiva contenuta nella pechblenda». Il termine radioactive era stato coniato dai Curie, ed era stato messo a stampa per la prima volta nel titolo della nota del 18 luglio. Ora, di fronte a risultati di enorme rilievo il termine entra con forza nel lessico specialistico dei due ricercatori, ed infatti ricorre spessissimo in questo terzo articolo e ancora, dal testo:

abbiamo trovato una seconda sostanza fortemente radioattiva e completamente differente dalla prima per le sue proprietà chimiche. [...] Le diverse ragioni che abbiamo enumerato ci portano a credere che la nuova sostanza radioattiva racchiuda un elemento nuovo, al quale proponiamo di dare il nome di radio. [...] La nuova sostanza radioattiva contiene certamente una forte proporzione di bario; malgrado questo, la radioattività è notevole. La radioattività del radio deve dunque essere enorme (Curie, Curie e Bémont, 1898).

Come si legge alla fine di quest’ultima comunicazione essi hanno ricevuto dal governo di Vienna una grossa quantità di pechblenda, a titre gracieux grazie all’intervento di Eduard Suess, eminente scienziato austriaco ed uno dei piú grandi geologi di tutto l’Ottocento. Questo dono è stato di notevole importanza, perché nonostante i notevoli successi, la Sorbona non mette a disposizione dei due ricercatori né il denaro per continuare le ricerche né un locale in cui trattare il minerale. Come era stato già specificato in tutte e tre le note pubblicate sui Comptes Rendus, è l’École municipale de Physique et de Chimie industrielles che concede loro l’uso di una baracca nel cortile della scuola. Esposti a tutte le condizioni atmosferiche possibili, mentre il marito