TEORIA, GRANDEZZE, MODELLI CONTINUI

(questo è uno di quei post che molti troveranno difficile, ma che costituisce le fondamenta di molto di quel che è stato scritto su questa pagina. E' una di quelle cose che un periodo di calma e riflessione permette di provare a buttar giù. Sarebbero scemenze scontate, ma in tre anni mi sono accorto che per i più sono roba astrusa e incomprensibile, e non parlo solo di "non addetti")

Nel primo decennio del XIX secolo John Dalton (a cui tra l'altro dobbiamo la definizione di daltonismo) introdusse la teoria atomica nella chimica. La chimica quindi iniziò non tanto a concepire la materia come formata da enti discreti, ma a integrare questa concezione nelle leggi che venivano individuate. Questa concezione permetteva di trovare regolarità precise in fenomeni macroscopici misurabili (o era in grado di spiegarle) e dopo la legge delle proporzioni multiple (https://www.chimica-online.it/download/legge-dalton-proporzioni-multiple.htm) si arrivò nel 1808 ad una prima definizione di peso atomico (peso atomico relativo, la cui unità di riferimento è il peso atomico dell'idrogeno, preso con valore 1 - poi si arrivò a 1/16 del peso dell'ossigeno, attualmente l'unità di massa atomica è 1/12 della massa di un atomo di carbonio 12).

Il trait d'union definitivo tra leggi ponderali (cioè inerenti i pesi di reagenti e prodotti di reazione) e teoria atomica fu stabilito da un famoso conte con il suo numero (per la prima volta presentato come ipotesi nel 1811). Conseguenza : se un atomo di A reagisce con un atomo di B per dare C, una quantità in grammi uguale al peso atomico di A (mole) reagirà con una mole di B per dare una mole di C.

Notare bene: da diversi anni viene ritenuto più esatto il termine "massa atomica" rispetto a "peso atomico"; la questione fu parte di un'accesa disputa tra chimici e fisici a partire dagli anni 60 dello scorso secolo, nel contesto di un faticoso processo di unificazione delle unità di misura (https://www.universetoday.com/73476/what-is-atomic-mass/). Inutile dire che nel 99,5% dei casi i chimici continuano parlare di pesi atomici o molecolari (medi), quelli nati dalle leggi ponderali (se la metrologia è patrimonio prevalente della fisica, la gravimetria fa parte della cultura chimica da più di due secoli).

Quindi la prima concezione "funzionante" di granularità della materia data al primo decennio del 1800, e non a un secolo dopo, come molti sembrano credere. Ed è legata a doppio filo con una grandezza approssimata come continua, il peso. Approssimazione del tutto ragionevole perché è impossibile pesare una quantità macroscopica di materia con errore di più/meno un atomo o una molecola: la misura del peso di quantità di materia macroscopiche appare come la misura di una grandezza continua. 

Curioso? No. Se vi guardate allo specchio non vedete un set di fermioni e bosoni (un fisico di fresca laurea su twitter mi ha detto che lui lo vede, bah). Vedete forme piene, linee continue.

La costruzione della chimica moderna come sistema concettualmente coerente si basa su questa corrispondenza tra teoria atomica e grandezze continue, quindi numeri reali 

Al riguardo vorrei citare un passo estremamente significativo

"I numeri reali sono chiamati così perché sembrano fornire la grandezza necessaria per la misura di distanza, angolo, tempo, energia, temperatura o di innumerevoli altre quantità geometriche e fisiche, Comunque la correlazione tra l' astratta realtà dei numeri detti reali e le grandezze fisiche non è nitida come può sembrare. i numeri reali sono un'astrazione matematica e non una qualsiasi quantità fisica oggettiva. Il sistema dei numeri reali per esempio ha questa proprietà: tra due di loro, indipendentemente da quanto siano vicini, ce n'è un terzo. Non è chiaro se distanza fisica o tempo abbiano questa proprietà. Se continuiamo a dividere una distanza fisica raggiungeremo scale così piccole che lo stesso concetto di distanza come lo concepiamo perde di significato." ( Penrose, "La realtà dei numeri reali" in "La mente nuova dell'imperatore" - mi pare il caso di ribadire che una grandezza è una cosa e una misura è un'altra)

Notare bene: corrispondenza tra teoria atomica e grandezze continue nel loro intervallo di definizione (che per quel che riguarda la chimica nel caso del peso - e quindi della concentrazione - copre il 99,5% dei casi, anche al giorno d'oggi).

Tutto questo fece sì che a metà del XIX secolo la disciplina conoscesse un boom della sua evoluzione, portando nel 1864 alla legge dell'azione di massa (nell'immagine, dove x è la massa attiva dissociata, correlabile alla concentrazione, quindi una grandezza continua nel suo intevallo di definizione), importantissimo collegamento tra termodinamica (equilibrio chimico) e cinetica (velocità di reazione, https://it.wikipedia.org/wiki/Legge_di_azione_di_massa).

La cosa sorprendente fu la capacità di questi modelli di generare tramite l'elaborazione matematica delle leggi già dimostrate nuove conclusioni verificabili sperimentalmente (e di trovare "buchi" nel sistema, vedasi la differenza di comportamento tra gas reali e gas perfetti), e questa è una proprietà di due uniche scienze, fisica e chimica, e ha finito per rendere possibile quello che per me è uno dei maggiori quanto trascurati sviluppi della chimica fisica nel XX secolo, ovvero la termodinamica del non equilibrio.

(Il fatto che in tempi di tre per due l'impostazione della didattica universitaria troppo spesso finisca per costringere in secondo o terzo piano questi aspetti della disciplina rischia seriamente di ridurre la chimica a "un altro ricettario", e per chi viene su a ricettari questa roba è concettualmente aliena e del tutto incomprensibile.)

Tutto ciò fece sì che, in tempi pre calcolatori elettronici, all'inizio del XX secolo, i teorici si sentissero l'elite della disciplina:

"Bisogna ammettere che la scienza ha le sue caste. L'uomo il cui attrezzo principale sono le equazioni differenziali guarda dall'alto in basso quello che usa un galvanometro, che a sua volta guarda dall'alto in basso quelli che lavorano con roba appiccicosa e puzzolente nelle loro provette" (Gilbert Newton Lewis)

(Lewis ha dato tali e tanti contributi alla chimica e alla chimica fisica, dalla regola dell'ottetto agli acidi e basi di Lewis, che è curioso che il suo nome sia noto pressoché esclusivamente ai chimici. Morto nel 46, è grave che non figuri nella lista dei Nobel per la chimica)