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La chimica dell’atmosfera, tra attualità e storia

18 Gen. 2013 | categoria N.14 - Gennaio 2013, chimica, idee per insegnare | Leggi tutto | Nessun commento

Vincenzo guarnieri

Dopo le proposte sulla fisica moderna, apriamo con questo numero una nuova serie di articoli dedicati a idee originali per la didattica della chimica. Primo appuntamento con la chimica dei gas e dell’atmosfera.


Lo scioglimento dei ghiacci è una delle conseguenze del cambiamento chimico della composizione dell’atmosfera (immagine artistica cortesia di Cape Farewell).

Che cos’è l’aria?
Da sempre gli esseri umani hanno cercato una risposta a questa domanda e oggi le notizie che giungono sullo stato del nostro pianeta rendono tale risposta sempre più urgente. Alluvioni, siccità, ghiacciai che si ritirano, isole inghiottite dal mare, profughi ambientali: sono tutti eventi catastrofici presenti quotidianamente sui mezzi di informazione o al cinema e riportati a scuola. Eventi ormai entrati a far parte dell’immaginario collettivo e con cui i ragazzi hanno una certa familiarità, così come accade per l’inquinamento dell’aria che si respira in città. Alla base di questi fenomeni c’è un’alterazione della composizione chimica della nostra atmosfera: per questo, i cambiamenti climatici o l’inquinamento atmosferico possono offrire ottimi spunti di attualità per avvicinare l’attenzione dei ragazzi non solo alla chimica dell’atmosfera in sé ma, in generale, alla chimica dello stato gassoso, uno degli argomenti più “sfuggenti” nell’educazione scientifica. Del resto, le proprietà e le leggi presentate nei libri di testo sono nate proprio dall’osservazione dei gas più a portata di mano, quelli che respiriamo.

L’importanza dell’approccio storico
Il surriscaldamento globale al quale stiamo assistendo è provocato in massima parte dall’emissione in atmosfera di gas serra. Ma quali sono le rappresentazioni mentali degli studenti a proposito di tali gas e dell’atmosfera che li riceve? Spesso sono paragonabili a quelle degli uomini del passato, in particolare a quelli del Seicento, secolo in cui sono stati effettuati i primi studi sull’aria che hanno permesso la nascita della chimica moderna. L’aria ha una massa? È costituita da materia continua o da particelle? In quest’ultimo caso, le particelle possono modificarsi chimicamente?

Tutte domande semplici, in apparenza, ma che mettono in crisi gli studenti, così come hanno messo in crisi gli scienziati delle epoche passate. Ecco allora che, per far comprendere bene di che cosa parliamo quando parliamo di gas e di composizione chimica dell’atmosfera, può essere utile ripercorrere la storia delle idee relative a questi argomenti: un approccio considerato uno dei più efficaci nella didattica della chimica. La narrazione di una scoperta, infatti, permette di proporre il contesto storico ed epistemologico in cui è avvenuta, che è a sua volta fondamentale per favorire l’apprendimento. Spesso i testi scolastici non valorizzano questi aspetti e all’insegnante spetta il non facile compito di “dare vita” alle nozioni.

Prime prove di scienza
Che cos’è quindi l’aria? Le idee degli alchimisti a questo proposito incontrano nel Seicento le prime misure quantitative su fenomeni chimici effettuate dal medico belga Jean Baptiste van Helmont (1579-1644). È stato proprio lui a introdurre il termine e il concetto di “gas” riferendosi al “caos”, la materia informe e disordinata che per gli antichi greci era alla base della creazione dell’Universo. Per van Helmont in natura esistevano tanti gas quante erano le sostanze “terrestri” e di queste ne costituivano la specificità, lo “spirito”. Il gas era dunque un’entità sia materiale sia spirituale. Il suo approccio empirico e sperimentale, che prevedeva l’impiego della bilancia, era influenzato da una visione mistica della natura.

L’ipotesi corpuscolare della materia
Lo stesso accadeva per Robert Boyle (1627-1691), filosofo naturale irlandese considerato uno dei padri della chimica moderna. Come molti suoi contemporanei, egli vedeva il mondo come una meravigliosa macchina generata da un artefice (Dio). Per lui fare scienza era una missione religiosa: missione che lo ha condotto a realizzare il famoso esperimento in cui, intrappolando aria in un tubo, ha osservato che il suo volume è inversamente proporzionale alla pressione che si esercita sul tubo stesso. Questa osservazione ha portato a formulare la legge detta appunto di Boyle, presente in tutti i libri (P·V=costante) e ha soprattutto validato l’ipotesi meccanica e corpuscolare della materia: l’aria è elastica perché costituita da particelle elastiche con una certa forma e dimensione.

Questo semplice esperimento opportunamente presentato ai ragazzi permette di affrontare l’ostacolo cognitivo legato alla concettualizzazione della struttura particellare e non continua dell’aria. Tuttavia, sarebbe necessario aver lavorato in precedenza sul concetto di massa e peso dei gas. A tale scopo, attingendo sempre dalla storia, si potrebbe proporre e contestualizzare l’esperimento con il quale evangelista Torricelli (1608-1647) ha mostrato che l’atmosfera è in grado di esercitare una pressione. Egli ha riempito un tubo di mercurio immergendone un’estremità in una bacinella piena dello stesso liquido. Aprendo l’estremità immersa non tutto il metallo scorreva via, ma rimaneva sempre una colonna alta 760 mm. ne ha quindi dedotto che doveva esistere una pressione che sosteneva la colonna, attribuendo tale pressione all’aria atmosferica.

Tra particelle e corpuscoli
Stabilito che l’aria è dotata di una massa in grado di “pesare” sulla nostra testa e stabilito che questa massa è costituita da corpuscoli elastici ancora non ben identificati, si può proseguire con altri esperimenti di Boyle. Dopo aver fatto bruciare una fiamma in un contenitore chiuso, egli deduce che l’aria contiene qualcosa in grado di sostenere una combustione per un certo lasso di tempo. Tuttavia osserva che l’aria residua conserva le sue proprietà elastiche.

Si convince che «possa esistere dispersa nell’atmosfera qualche sostanza strana, di natura solare, astrale o di natura esotica che rende l’aria così necessaria alla sopravvivenza della fiamma». Questi esperimenti lo portano a immaginare l’aria come una sostanza costituita da particelle elastiche tra le quali sono dispersi corpuscoli di altro tipo. Si tratta di una concezione del gas ancora non moderna. Per Boyle esistono solo due stati di aggregazione della materia, quello solido e quello liquido. L’aria era un medium di natura particellare nel quale vagavano “principi aerei” estranei. Intuisce la presenza dell’ossigeno ma non lo considera una sostanza aeriforme.

Il bagno idropneumatico
Apprendere il concetto di gas non è semplice, così come non è stato semplice per i chimici del passato. Una sostanza aeriforme non si può vedere né toccare facilmente. Soltanto nel Settecento si inizia a considerare l’esistenza di un terzo stato di aggregazione della materia, grazie all’identificazione di “arie” diverse da quella che respiriamo, in grado di combinarsi chimicamente con sostanze “terrestri”. Per arrivarci era necessario che qualcuno inventasse uno strumento capace di catturare gli “spiriti”: ci ha pensato il reverendo inglese Stephen Hales (1677- 1761), al quale si deve il cosiddetto bagno idropneumatico.

Si trattava di un sistema in cui il gas prodotto da una reazione veniva fatto gorgogliare e accumulare in un contenitore capovolto posto all’interno di una bacinella piena d’acqua. grazie a questo bagno, Hales ha potuto osservare che alcune arie potevano “unirsi” con i corpi solidi, cioè venire assorbite in caso di contatto.

Il bagno idropneumatico inventato da Stephen Hales.

La scoperta dell’anidride carbonica
Sempre con il sistema di Hales, il medico scozzese Joseph Black (1728-1799) è riuscito a isolare e identificare nel 1745 l’“aria” che si produce dalla degradazione termica di una polvere utilizzata per i bruciori di stomaco, la magnesia alba (carbonato basico di magnesio), durante la sua trasformazione in magnesia usta (ossido di magnesio).

Black l’ha chiamata “aria fissa”, dal momento che era in grado di fissarsi nella polvere residua per riformare quella iniziale, osservando che si trattava di una vera e propria reazione chimica e non di un semplice assorbimento fisico. Ma che cos’era esattamente quell’aria? Semplice: si trattava di anidride carbonica (oggi più correttamente definita biossido di carbonio), il primo gas acquisito dalla scienza chimica e, tornando un attimo ai giorni nostri, il gas serra maggiormente responsabile del cambiamento climatico globale. Dall’immagine di un laboratorio del Settecento a quella di new York ricoperta dal ghiaccio proposta nel film The day after tomorrow il salto non è banale ma può essere stimolante.

Una miscela di gas
Dopo gli esperimenti di Black molti altri hanno tentato di scoprire nuove sostanze gassose. Per rimanere in Inghilterra, nel 1766 henry Cavendish (1731-1810) scopre l’idrogeno, che chiama “aria infiammabile”. Nel 1772 Daniel Rutherford (1749-1819) scopre l’azoto, definito “aria flogisticata”. Nel 1774 è la volta dell’ossigeno, scoperto da Joseph Priestley (1733-1804) che lo battezza “aria deflogisticata”.

Allo stesso tempo esperimenti analoghi vengono condotti in altri paesi. Nasce in questo modo la chimica pneumatica. L’aria non viene più vista come un medium di particelle elastiche nel quale sono dispersi strani corpuscoli che rappresentano lo “spirito” di sostanze presenti allo stato solido o liquido, ma come una miscela di gas: gli strani corpuscoli, come quelli dell’anidride carbonica o dell’ossigeno, vengono anch’essi finalmente considerati appartenenti allo stato di aggregazione gassoso.

Lavoisier contro il flogisto
Le concezioni sull’aria di Boyle stavano già passando di moda quando si è inserito nel processo storico il francese Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), la cui opera ha rivoluzionato il pensiero chimico nella sua totalità grazie all’applicazione sistematica della legge di conservazione della massa: la somma delle masse dei reagenti deve corrispondere a quella delle masse dei prodotti. Nelle misure Lavoisier considerava anche i gas coinvolti nel processo e, naturalmente, faceva un uso meticoloso della bilancia. Attraverso il suo approccio teorico e l’impiego di questo strumento preso in prestito dalla fisica, è stato in grado di ripetere e vedere con occhi diversi gli esperimenti che gli inglesi stavano effettuando oltre Manica, riuscendo in sintesi a dimostrare l’infondatezza della teoria del flogisto, allora di gran moda tra i chimici.

Secondo questa teoria, i combustibili come la legna sono in grado di bruciare perché contengono il “principio di infiammabilità”, il flogisto appunto, che durante la combustione viene liberato nell’aria. Si pensava che anche la calcinazione dei metalli, vale a dire il riscaldamento ad alta temperatura in presenza di aria, avvenisse perché questi contengono flogisto. Però, mentre la legna dopo aver bruciato è più leggera, il metallo dopo la calcinazione è più pesante nonostante in teoria si sia liberato del flogisto. attraverso le sue pesate, Lavoisier ha compreso che combustione e calcinazione sono processi analoghi, non perché avvengono grazie alla liberazione del flogisto ma perché prevedono una reazione chimica (del combustibile o del metallo) con un particolare componente dell’aria. Era naturalmente l’ossigeno, da lui battezzato così “principio ossigino”, cioè generatore di acidi. in base alle sue misure, questo gas rappresentava circa un quarto dell’aria. i rimanenti tre quarti erano costituiti dall’aria flogisticata di Rutherford, che Lavoisier ha denominato “azoto”, cioè senza vita. in seguito si scoprirà che questo gas è in realtà essenziale alla vita.

Elementi e composti
Lavoisier non ha trascurato neppure l’anidride carbonica (biossido di carbonio). in un suo storico esperimento, fa avvenire la riduzione di un ossido metallico, reazione che i chimici dell’epoca a partire da Priestley impiegavano per produrre ossigeno gassoso, in presenza di un pezzetto di carbone. osserva che il carbone scompare e che, al posto dell’ossigeno, si forma un altro gas che corrisponde proprio all’anidride carbonica. Deduce quindi che il carbone reagisce con l’ossigeno per produrre l’anidride carbonica e, di conseguenza, che quest’ultimo gas è un composto formato da carbonio e ossigeno.

Poi è la volta dell’acqua. Questa era considerata uno dei quattro elementi fondamentali dagli alchimisti e, con modalità concettualmente differenti, da personaggi come van Helmont e Boyle. Con Lavoisier smette definitivamente di essere un elemento. egli ha ripetuto un esperimento in cui Cavendish ha fatto reagire ossigeno e “aria infiammabile”, notando che secondo certe proporzioni di peso i due gas si consumavano completamente producendo acqua. Che, da questo momento in poi, viene considerata un composto formato da ossigeno e idrogeno, chiamato così proprio perché significa “generatore di acqua”. La riproposizione anche soltanto narrativa di questo esperimento offre spunti interessanti per affrontare il concetto di elemento chimico e della sua lunga evoluzione. Per Lavoisier, gli elementi sono sostanze che non possono essere scomposte in sostanze più semplici. in un suo trattato del 1789 ne aveva elencati 33, tra cui figuravano anche il fuoco e la luce. Si tratta di “errori” che fanno parte integrante del processo di indagine scientifica, così come accade per gli errori compiuti dagli studenti nel processo di apprendimento.

Una necessaria complessità
Lo studio dei gas è stato alla base della chimica moderna e ha permesso di strutturare e definire concetti come quello di elemento chimico. Ma perché un ragazzo dovrebbe aver voglia di conoscere queste cose? Un percorso di conoscenza sull’aria può partire dalla cronaca di un uragano devastante o dalle immagini di un film catastrofista per poi tornare ad analizzare i fenomeni chimico-fisici coinvolti con maggiore consapevolezza e senso critico. Punto di partenza di un percorso del genere, naturalmente, non può che essere la piena comprensione del concetto di gas e delle caratteristiche chimiche dell’atmosfera.

In un secondo momento, si potrà allargare il campo di indagine verso il riscaldamento globale, l’alterazione del ciclo dell’azoto e i legami con le altre crisi globali, compresa quella economico- finanziaria. La chimica dei gas troverebbe in questo modo una collocazione e un senso all’interno della quotidianità, fatta anche di aspetti come le catastrofi ambientali, apparentemente distanti ma in realtà vicinissimi dal punto di vista della trattazione scientifica.

Un secolo di ricerca sul riscaldamento globale
La storia della chimica si intreccia inevitabilmente con quella del riscaldamento globale. C’è voluto un secolo per individuare e studiare questo fenomeno che, ancora oggi, presenta aspetti poco chiari e controversi. I primi studi risalgono alla fine dell’ottocento, quando il chimico svedese Svante Arrhenius (1859-1927) percepì che il biossido di carbonio prodotto dall’impiego dei combustibili fossili poteva alterare la temperatura dell’atmosfera. Tentò di realizzare anche stime di tali alterazioni, che non sono poi molto diverse da quelle fornite oggi da mezzi molto più sofisticati. Nel corso del Novecento, l’avvento di nuovi strumenti scientifici ha permesso di migliorare la comprensione dell’effetto serra e del ruolo svolto dai gas prodotti dall’uomo, pur conservando un notevole margine di incertezza. Solo negli anni ottanta inizia a diffondersi un’idea maggiormente condivisa nella comunità scientifica relativa a un progressivo riscaldamento globale. Nel 1988 nasce la commissione internazionale sui cambiamenti climatici, IPCC (international Panel on Climate Change), gruppo di ricerca costituito da 2500 scienziati provenienti da 130 paesi. I dati ottenuti ed elaborati dall’IPCC dicono in sostanza che la temperatura media del pianeta sta aumentando a causa dell’emissione di gas serra da parte delle attività umane. Queste posizioni sono state messe in discussione nel tempo da una parte sempre più ridotta della comunità scientifica e della società e oggi sulle conclusioni dell’IPCC c’è un accordo scientifico sostanziale.


Il grande pubblico è entrato definitivamente a contatto con l’argomento nel 1997, con la firma del Protocollo di Kyoto. Il trattato prevedeva che le Nazioni aderenti riducessero entro il 2012 del 5,4% le loro emissioni di gas serra rispetto ai valori del 1990. Si tratta di un valore medio: l’unione europea avrebbe dovuto ridurle dell’8% (l’Italia del 6,5%): l’Europa nel complesso ha rispettato gli accordi nonostante il nostro Paese non abbia dato il suo contributo. Il Protocollo di Kyoto doveva essere solo un primo passo per fronteggiare la crisi climatica, ma quelli successivi sembrano assai incerti. in ogni caso, termini come “impatto zero”, “chilometro zero” o “compensazione della co2 emessa” sono oggi di uso comune, anche se a volte nascondono tentativi di green washing (comunicazione di virtù sostenibili che in realtà nasconde responsabilità negative nei confronti dell’ambiente).

La Vita dell’azoto
In un articolo pubblicato sulla rivista Nature nel 2009, un team internazionale di 29 ricercatori afferma che l’umanità ha oltrepassato la “soglia di sicurezza” per la stabilità del pianeta in tre modi: aumentando la perdita di biodiversità, alterando il ciclo dell’azoto e provocando il cambiamento climatico, elencandoli in ordine di rilevanza decrescente.
L’inerte azoto molecolare che costituisce il 78% dell’atmosfera è stato chiamato così da Lavoisier proprio perché “privo di vita”. Oggi però sappiamo che questo elemento si trova e si è sempre trovato all’interno di molecole essenziali alla vita, come le proteine e gli acidi nucleici.

Inoltre sappiamo che grazie all’azione di una serie di batteri detti appunto azotofissatori può essere trasformato dalla forma molecolare biatomica a una forma ammoniacale in grado di entrare a far parte del metabolismo di piante e altri organismi viventi.
Il ciclo dell'azoto

Il ciclo dell’azoto. l’atmosfera è il principale deposito di azoto presente nella biosfera. attraverso il ciclo dell’azoto, questo elemento entra nel suolo e nei tessuti degli organismi.

Una volta prelevato dall’aria, l’azoto può percorrere molteplici strade finché altri batteri, i denitrificatori, lo riportano in atmosfera nella sua forma molecolare biatomica. Per millenni questo ciclo biogeochimico è stato abbastanza stabile. Poi, nella Germania dei primi anni del secolo scorso, il chimico Fritz Haber ha escogitato un metodo per far reagire l’azoto atmosferico e l’idrogeno con l’obiettivo di sintetizzare ammoniaca. L’idea, industrializzata da Carl Bosch, è stata applicata per produrre armamenti e, successivamente, i fertilizzanti azotati che diventeranno la base dell’agricoltura “moderna”. Oggi i processi umani convertono 120 milioni di tonnellate di N2 all’anno in una forma chimicamente attiva, circa il doppio di quello che fanno i batteri di tutto il pianeta. Solo una piccola parte però finisce nel cibo che mangiamo, il resto va a perturbare gli equilibri e la biodiversità dei suoli e delle acque di falde, fiumi, laghi e oceani. Inoltre, attraverso la combustione di fonti fossili o di biocombustibili, l’azoto può tornare in atmosfera legato all’ossigeno in forme reattive come l’ossido nitroso (N2O), un potente gas serra che contribuisce a causare il cambiamento climatico.

In rete!

  • Cape farewell Progetto che punta a mettere in rete l’esperienza e le attività di ricerca collettiva di un gruppo di scienziati, artisti ed educatori che riflettono sul tema dei cambiamenti climatici. Slogan: il clima è cultura.
  • Una mano dall’università Sito su storia, epistemologia e didattica della chimica a opera della Divisione di didattica della Società chimica italiana, con il contributo dei dipartimenti di chimica generale e chimica organica dell’Università di Torino.
  • Worldwatch Institute Sito ufficiale dell’istituto, che è centro di ricerca indipendente su temi quali energia e cambiamento climatico, cibo e agricoltura ecc.
  • Climalteranti Sito/blog di formazione e discussione sul tema dei cambiamenti climatici.
  • Cibo e clima Sito ufficiale del Food Climate Research network, centro di ricerca britannico i cui obiettivi sono capire come il sistema alimentare contribuisca alle emissioni di gas serra e promuovere la possibilità di una loro riduzione.

Per approfondire

  • F. Abbri, Elementi, principi e particelle. Le teorie chimiche da Paracelso a Stahl, Loescher editore, Torino 1980.
  • i. Asimov, Breve storia della chimica. Introduzione alle idee della chimica, Zanichelli, Bologna 1968.
  • S. Califano, Storia della chimica Vol.1, Bollati Boringhieri, Torino 2010.
  • K. Evans, Il clima furioso. Tutto quello che dovete sapere sui cambiamenti climatici, ed. arcana, Roma 2007.
  • V. Ferrara, a. Farruggia, Clima: istruzioni per l’uso. I fenomeni, gli effetti, le strategie, ed. ambiente, Milano 2007.
  • L. Mercalli, Che tempo che farà. Breve storia del clima con uno sguardo al futuro, Rizzoli, Milano 2009.
  • J. Rockström et al., A safe operating space for humanity, in “nature”, 2009, v. 461, pagg. 472-475.
  • A.R. Townsend e R.W. Howarth, Fixing the global nitrogen problem, in “Scientific american”, february 2010, pagg. 64-71.
  • Worldwatch Institute, State of the world 2009. In un mondo sempre più caldo, ed. ambiente, Milano 2009

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L’autore
Vincenzo Guarnieri è chimico e ha un dottorato di ricerca in biochimica e biotecnologia cellulare. È membro dell’istituto di Ricerche interdisciplinari sulla Sostenibilità di Torino. “inventa” progetti di comunicazione scientifica per studenti, insegnanti, animatori e grande pubblico. ha pubblicato Maghi e reazioni misteriose (Lapis edizioni, 2007), una storia della chimica per ragazzi.

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N.14 - Gennaio 2013