Uno dei più importanti personaggi che dà il via alla storia della Chimica moderna è sicuramente Robert Boyle (1627-1691).
Possiamo asserire che Boyle rappresentò il primo esponente della scuola chimica anglosassone.
Prima di descrivere le ricerche fondamentali di tale figura, andiamo a scoprire qualche nota biografica a suo riguardo.
Boyle fu l’ultimo figlio del primo conte di Cork, un ricco avventuriero inglese protestante, coinvolto nella colonizzazione inglese dell’Irlanda. L’educazione di Boyle cominciò in primis nel Collegio inglese di Eton; dopodiché studiò privatamente presso un cappellano del padre in Irlanda. A soli 12 anni, il ragazzino iniziò a girovagare per l’Europa. Nel 1641, dopo aver appreso l’italiano, si recò a Venezia e l’anno successivo a Firenze.
L’anno 1642 rappresenta una data particolare per la storia della scienza: infatti, muore Galileo Galilei, colui che fornisce l’imput alla nascita della scienza moderna, basata su un metodo scientifico rigoroso e su un linguaggio quantitativo, ossia matematico.
Boyle fu fortemente suggestionato dal tragico evento, che influenzò in maniera decisiva la sua vita: da quel momento in poi, Boyle desiderò infatti dedicare la sua vita alle scienze.
Un’ulteriore svolta fondamentale nella sua esistenza accadde nel 1649, quando decise di costruirsi un laboratorio scientifico in casa, evento che segnerà l’inizio delle sue attività alla stregua di scienziato sperimentale.
L’anno seguente entrò a far parte di un circolo di intellettuali amanti della Chimica, soprattutto dal punto di vista delle applicazioni mediche, chiamato Invisible College. Anche l’alchimista George Starkey era membro di tale gruppo; questi spinse Boyle allo studio dell’alchimia e alla lettura dei testi alchemici.
Altra data da ricordare è il 1654: durante il suddetto anno, Boyle si trasferì a Oxford per riunirsi al gruppo di filosofi naturali di John Wilkins, il quale, nel 1661, fondò la prestigiosa Royal Society . Boyle fu pertanto, prima fondatore, poi membro del consiglio e, in ultimo, decano della Royal Society.
Purtroppo, a partire dal 1689, Boyle cominciò ad avere seri problemi di salute, i quali lo costrinsero al graduale ritiro dai suoi incarichi pubblici. 2 anni dopo, le condizioni di salute si fecero critiche, tanto che il 30 dicembre, il geniale Boyle esalò l’ultimo respiro; il suo corpo venne sepolto nel cimitero di St. Martin’s in the Fields.
Conclusa la trattazione biografica, una domanda lecita potrebbe essere: perché è così importante la figura di Boyle in campo scientifico?
Ebbene, Boyle è stato sicuramente uno dei più importanti studiosi del comportamento dei gas. Ricordiamo che i gas sono fluidi che:
- non posseggono né forma ne volume propri;
- tendono a occupare tutto lo spazio che hanno a disposizione;
- sono altamente compressibili;
- le particelle che li compongono non sono confinate in strutture rigide, ma si urtano frequentemente.
Boyle si concentrò specialmente sull’aria, l’insieme di gas che ci circonda.
Risulta tuttavia necessario specificare che l’inglese ha potuto intraprendere i suoi studi grazie all’invenzione della
pompa ad aria, progettata dal tedesco
Otto von Guericke (1602-1686), celebre per l’esperimento della
sfera di Madgdeburgo (per chiarimenti vi consiglio di
cliccare qui).
Boyle, nel 1658, costruì, avvalendosi dell’aiuto dell’assistente Robert Hooke (sì, quello della legge sulla forza elastica e anche della scoperta delle cellule col microscopio!), una pompa ad aria più efficiente e maneggevole rispetto a quella di von Guericke.
Lo scienziato inglese, compiendo le sue ricerche inerenti all’aria, arrivò a scoprire la famosa relazione tra volume e pressione di un gas, che prenderà poi il suo nome.
Per effettuare tali esperimenti, Boyle sfruttò un tubo barometrico a mercurio, simile a quello di Torricelli, misurando con l’aiuto di Hooke il volume del gas nel tubo a pressioni sia superiori sia inferiori a quella atmosferica (pari a 1,01325 x 10⁵ Pa).
Il nuovo marchingegno e gli esperimenti sull’aria vennero presentati nel più importante contributo scientifico di Boyle, intitolato New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects (1660).
La legge di Boyle comparve invece in una seconda edizione dell’opera datata 1662.
Poi, nel 1676, alla legge venne data una formulazione più precisa e rigorosa: Edme Mariotte, confermando i dati di Boyle, specificò che la legge risulta valida solamente se la temperatura del gas è costante.
Infatti, la suddetta legge, spesso e volentieri viene indicata con la denominazione “legge isoterma“.
Passiamo ora al formalismo matematico concernente tale relazione.
In simboli, essa si può esprimere come:
Essa può essere ovviamente scritta anche in questo modo:
ove:
-p₁V₁ = valori iniziali di pressione e volume;
-p₂V₂ = valori finali.
La seguente è una fantastica rappresentazione grafica della legge di Boyle:
Dobbiamo specificare una cosa: la legge di Boyle non è sempre valida. Deve sussistere una precisa condizione affinché risulti accettabile: il gas deve essere ideale (o perfetto).
Ecco le caratteristiche fondamentali di un gas perfetto:
- le sue particelle sono puntiformi, in modo che il loro volume risulti trascurabile se confrontato a quello del gas stesso;
- le sue particelle sono così distanti fra loro che si possono considerare nulle le forze attrattive tra esse;
- le sue particelle sono perfettamente elastiche, in maniera che, urtandosi, non disperdano energia per attrito.
I gas reali non soddisfano esattamente i requisiti citati, però, la legge resta valida purché tali gas risultino sufficientemente rarefatti, ovvero poco compressi e si trovino a temperature elevate.
Inoltre, in un piano cartesiano, con il volume sull’asse delle ascisse e la pressione sull’asse delle ordinate (piano di Clapeyron), il luogo dei punti che designano gli stati di equilibrio di un gas, a una temperatura fissata, è dato da un ramo di iperbole. Infatti, la formula di Boyle scritta sopra è l’equazione di una iperbole equilatera nelle coordinate p,V.
Per ogni temperatura si ha una diversa iperbole e le curve ottenute in tal modo vengono dette isoterme del gas ideale.
Ora, differenziamo la legge di Boyle pV = cost, sfruttando la regola di Leibniz relativa alla derivata del prodotto di 2 funzioni, ottenendo: pdV + Vdp = 0.
Riscrivendo tutto in un’altra forma, abbiamo che:
Tale manipolazione della legge di Boyle ci permette di comprendere un fenomeno detto compressione uniforme in condizioni isoterme.
Immaginate, ad esempio, un cubo immerso in un fluido, a temperatura costante. Su tutte le facce del cubo agiranno identiche forze di pressione (ecco perché l’appellativo “compressione uniforme”).
La legge che fornisce la variazione di volume del corpo immerso nel fluido, causata dalla pressione, è:
dove Δp e ΔV sono rispettivamente le variazioni di pressione e di volume, mentre β viene detto modulo di compressibilità isoterma, misurato in N/m².
Per studiare tale relazione nel caso dei gas, possiamo sfruttare la forma differenziale della legge di Boyle, in modo da scrivere la precedente relazione come:
Ergo, il coefficiente di compressibilità isoterma per un gas è uguale alla pressione stessa!
Quella appena descritta era un’applicazione poco nota della legge di Boyle.
La formula di Boyle, inoltre, fusa assieme alle 2 leggi di Gay-Lussac, determina la celebre equazione di stato dei gas perfetti:
ove:
- p = pressione del gas considerato;
- V = volume occupato dal gas;
- T = temperatura del gas;
- R = costante universale dei gas, pari a
- n = numero di moli della massa di gas.
Giacché
allora possiamo riscrivere la legge generale dei gas perfetti come:
.
Come ciliegina sulla torta, ecco un singolare episodio che meravigliò persino Robert Boyle! Il 15 settembre 1677, davanti alla Royal Society, il tedesco Johann Kraft sparse briciole di fosforo sul tappeto del salone, tenuto rigorosamente al buio: i presenti, tra cui lo stesso Boyle, rimasero di stucco dinanzi ai puntini sul tappeto, i quali emettevano una luce bluastra, senza alcun rilascio di calore!
D’altronde, il termine stesso “fosforo” significa “portatore di luce”.
In conclusione, visto che si è parlato degli studi di Boyle sull’aria, una splendida interpretazione dell’aria sulla quarta corda di Bach, eseguita dalla violinista Anne Akiko Meyers:
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Questo articolo partecipa al Carnevale della Chimica n.17, che sarà ospitato dal sottoscritto sul blog Scienza e Musica.
Colgo l’occasione per ricordarvi che il tema (non vincolante) del Carnevale è “Storia, storie e personaggi della Chimica”, e che il termine di scadenza per l’invio dei contributi è fissato per il 21 maggio.
L’email a cui mandare i link relativi ai vostri contributi è:
leonardo92.universo@gmail.com
La pubblicazione del Carnevale avverrà il giorno 23 maggio. Per maggiori informazioni, vi rimando alla 1° call for papers.
Attendo i vostri contributi! 
Leonardo Petrillo
Tag:Storia della chimica
Pochi giorni sono passati dalla strabiliante edizione n.16 del Carnevale della Chimica, ospitata dalla prof. Annarita Ruberto su Scientificando, con tema “Carbonio e Chimica del Carbonio”.
Ora il testimone passa a me! Dunque, l’edizione di maggio del Carnevale, ovvero la n.17, sarà ospitata il 23 maggio sul mio blog Scienza e Musica.
Qual è il tema? Esso è: “Storia, storie e personaggi della Chimica”.
Si tratta quindi di un tema ad ampio respiro, che lascia spazio a tantissime interpretazioni.
Potete andare ad analizzare come è nata o si è sviluppata nel tempo questa meravigliosa disciplina scientifica.
Potete decidere di focalizzarvi su figure famose della storia della Chimica, come Lavoisier, Dalton, Avogadro, Mendeleev, Cannizzaro, Faraday, ecc., oppure potete optare per figure poco conosciute, ma altrettanto importanti per lo sviluppo della disciplina. La scelta è vostra!
Potete anche spiegare come si è passati dall’alchimia, quella “scienza esoterica” che aveva come fine ultimo quello di produrre la tanto agognata pietra filosofale, alla Chimica vera e propria.
Potete raccontare aneddoti e storie curiose relative alla Chimica come, giusto per fornirvi un esempio, quello di Kekulé e il benzene.
Avete praticamente l’intera storia della Chimica a vostra disposizione!!
Nel caso, però, che il tema non fosse di vostro gradimento, nessun problema: risulteranno graditissimi contributi fuori tema (anche se, con una tematica così ampia, sarà difficile andare completamente fuori tema!), sempre legati alla Chimica.
Quello che dovrete fare è scrivere contributi inerenti alla Chimica sul vostro blog, entro il 21 maggio (compreso), e inviare i link relativi ad essi, magari accompagnati da sintetiche descrizioni, all’indirizzo email:
leonardo92.universo@gmail.com
Precisazione: al Carnevale della Chimica possono partecipare tutti: non sussistono limiti di età o di esperienza.
Ergo, non bisogna essere necessariamente esperti del settore per partecipare, basta possedere passione per la Chimica e per la divulgazione scientifica in generale!
Attendo quindi i vostri contributi!
Leonardo Petrillo
Benvenuti al Carnevale della Chimica #16, edizione primaverile dell’anno 2, che ha per tema “Carbonio e Chimica del Carbonio”.
Nel preparare l’introduzione, secondo consuetudine carnascialesca, confesso di aver provato per la prima volta la sindrome da foglio bianco, ma non per l’oceanica vastità del tema, come qualcuno potrebbe pensare, ché io amo l’immensità.
La mia preoccupazione è stata di tutt’altro genere…Cosa scrivere del Carbonio e della Chimica del Carbonio che non sia già risaputo?
Errore! Che non sia già risaputo? Ma questo vale per gli addetti ai lavori! Stavo per sbagliare l’ottica…
Eh, sì! Capita. Il Carnevale della Chimica, come tutte le kermesse scientifiche, è uno strumento per comunicare la Scienza soprattutto al vasto pubblico, mica per cantarsela e suonarsela tra gli addetti ai lavori…con tutto il rispetto!
Continuare a leggere…
Tag:CAR
Non si è ancora spenta l’eco della recente edizione del Carnevale della Chimica n.15 , ospitata da Paolo Pascucci, che occorre già darsi da fare per allestire la kermesse n.16, “in onda” su Scientificando il 23 aprile prossimo.
Ed allora, eccomi qui con il post di lancio, come vuole la ancora giovane tradizione.
Siete curiosi di conoscere il tema, vero? Vi accontento subito! Si parlerà di “Carbonio e Chimica del Carbonio”, un argomento affascinante e di ampio respiro.
Avete ben compreso si tratta proprio di lui, il versatile Carbonio, il sesto elemento della tavola periodica e il primo del IV Gruppo, che possiede la caratteristica peculiare di formare un numero illimitato di composti, in cui più atomi di carbonio si legano stabilmente tra loro, ma può combinarsi con alcuni altri elementi chimici (ossigeno, idrogeno, azoto, zolfo, fosforo) per formare un’infinità di composti (diversi milioni), che comprendono i materiali plastici, le vernici, i tessuti, i medicamenti, i coloranti, i costituenti dei tessuti viventi (grassi, zuccheri, proteine) e altri ancora.
I composti del carbonio, come prima scritto, possono essere naturali (carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici…) o prodotti di sintesi (materie plastiche, prodotti farmaceutici, sostanze alimentari, carburanti…).
Ma pensate anche alle forme allotropiche del Carbonio presenti in natura (Grafite, Diamante, Fullerene), ai vari ossidi, ai carbonati che hanno importantissime attività biologiche (interazione con emoglobina, tamponare il sangue, equilibrio chemiostatico). Il carbonio si trova anche nell’atmosfera, sotto forma di diossido di carbonio, comunemente nota come anidride carbonica (CO2)…e non è finita qui.
Continuate voi nell’esplorazione, scrivendo e ancora scrivendo innumerevoli e interessanti contributi, che saranno segnalati da questo blog nel post della 16° edizione del Carnevale della Chimica il 23 aprile prossimo.
Potete partecipare tutti: grandi piccini, esperti, meno esperti, semplici appassionati, classi intere, alunni singoli o in gruppi, docenti ecc.
Inviate i link dei vostri contributi al seguente indirizzo di posta elettronica: annaritar5@gmail.com
Termine ultimo per l’invio dei link: 21 aprile 2012.
Le modalità per partecipare sono consultabili nelle Linee Guida e Regolamento
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