Chimica generale e inorganica

La legge di Lavoisier, di Proust e di Dalton. La teoria atomica della materia

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All’inizio del XVIII secolo l’idea di atomo esistente in Occidente era ancora legata alla teoria dei filosofi-scienziati greci Leucippo e Democrito (V-IV secolo aC), i quali definirono l'atomo come unità indivisibile della materia. La parola atomo, infatti, vuol dire letteralmente "non divisibile".

Gli studi sulla radioattività naturale, compiuti all’inizio del ‘900 principalmente da H.Becquerel e da Maria e Pierre Curie, misero in luce il fatto che il nucleo atomico, in questi fenomeni, si “spezza” spontaneamente.
Già alla fine degli anni ’30 del secolo scorso si ottenne invece la rottura artificiale dell’atomo, o fissione nucleare, in seguito principalmente agli esperimenti di E.Walton, J. Cockcroft (fissione del nucleo del Litio,1932) e di Enrico Fermi (fissione del nucleo dell’ Uranio,1934). Oggi sappiamo che l’atomo può essere suddiviso in particelle infinitamente piccole: le principali sono protoni, neutroni, elettroni.

I chimici però si sono avvicinati progressivamente a queste conoscenze, e già tra la fine del ‘700 e l’inizio dell’800, tre scienziati in particolare (Lavoisier, Proust e Dalton) hanno permesso di formulare la teoria atomica, che implica il fatto che la materia sia discontinua, cioè formata da particelle “discrete” e non divisibili all’infinito. Questa scoperta fu rivoluzionaria per la comunità scientifica perché l’esperienza quotidiana ci suggerisce che la materia sia continua, per il semplice fatto che la percepiamo come tale. 

L’apparente contraddizione sta nel fatto che solo nelle reazioni nucleari naturali e artificiali si ha la rottura degli atomi, altrimenti gli atomi passano “interi” nelle trasformazioni anche chimiche della materia.
 

Le seguenti tre leggi valgono sempre e per tutte le reazioni chimiche.

Antoine-Laurent Lavoisier  nel 1789 formula la legge di conservazione della massa:

  • in una reazione chimica la somma delle masse dei reagenti deve essere uguale alla somma delle masse dei prodotti.
     

La legge può essere espressa anche in questa maniera:
 

  • nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma.
     

Questa frase non è per nulla scontata, anzi ha delle implicazioni importantissime che sottolineano come la materia sia in grado di trasformarsi in forme nuove all’interno di un continuo divenire. Le scoperte moderne stabiliscono un'equivalenza tra materia ed energia e portano a comprendere come l’energia dell’universo sia costante, e che essa semplicemente cambia la forma in cui “esiste”.
 

Nel 1799 Joseph Proust propone la legge delle proporzioni definite secondo cui:
 

  • all’interno di un composto le masse di ogni elemento sono definite secondo rapporti costanti e definiti.
     

Ciò è valido per qualunque stato di aggregazione della materia nella quale la sostanza si trova. Per esempio se l’elemento X si trova in rapporto di 1:0,6 con l’elemento Y in un certo composto, vuol dire che per 1g di X nel composto ci sono 0,6g di Y.
Esempi concreti potrebbero essere quelli dell’acqua, in cui il rapporto H:O è sempre 1:8, e quello del carbonato di calcio, in cui abbiamo  Ca:C:O = 10:3:12. 
 

Nel 1808 l’inglese John Dalton formula la legge delle proporzioni multiple:
 

  • Quando due elementi si combinano fra loro secondo diversi rapporti di massa, le diverse quantità di uno che si combinano con la medesima quantità dell’altro hanno tra loro rapporti rappresentabili con numeri interi, generalmente piccoli

 

Un esempio è dato dalla reazione fra carbonio e ossigeno (combustione) che permette di ottenere due molecole dalle proprietà profondamente differenti, uno tossico e l’altro no.
 

      1g C + 1,33g O    →    2,33g CO                 (monossido di carbonio)

1g C + 2,66g O    →       3,66g CO2            (biossido di carbonio
                                                                              o anidride carbonica)

 

L’ossigeno utilizzato per le due reazioni ha il seguente rapporto 1,33g : 2,66g = 1 : 2,  ovvero numeri piccoli ed interi.
 

Queste leggi hanno permesso di formulare la teoria atomica, che introduce l’idea di come un elemento non possa trasformarsi in un altro. È evidente come, al tempo della formulazione, non si conoscessero ancora nel dettaglio gli elementi radioattivi né processi come la fissione e la fusione nucleare che "vanno oltre", arricchendo e completando la teoria atomica.

 

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