John Dalton e la Teoria Atomica della Materia

Comprendere che la materia che ci circonda è composta da atomi è un affare tutt’altro che semplice. Soprattutto se vivi in Scozia a cavallo tra Settecento e Ottocento, molto tempo prima che esistano strumenti tecnologici in grado di farteli vedere direttamente. Oggi il linguaggio universale della chimica sono le formule e il loro alfabeto è quello degli atomi. Attraverso le formule, le equazioni chimiche descrivono la trasformazione, a livello molecolare, dei reagenti nei prodotti e quindi esprimono le reazioni in termini quantitativi. Come hanno scritto Michael Lappert e John Murrell, «è stato [John] Dalton il primo a interpretare i fatti delle combinazioni chimiche […] con una teoria che ha resistito alla prova del tempo». Una teoria che sostiene che la materia è costituita da atomi indivisibili e indistruttibili; gli atomi di uno stesso elemento chimico sono uguali tra loro, quelli di elementi diversi hanno proprietà diverse.

 

Chi era John Dalton?

«Credo che l’ultima volta che incontrai il signor Dalton sia stato nell’anno 1789. Stava cominciando ad assumere modi più comunicativi, ma rimaneva un uomo di poche parole». Parole della signora Cookson, una delle allieve della scuola che John Dalton, assieme al fratello Jonathan, ha gestito negli anni Ottanta del Settecento a Kendal, un’importante centro commerciale per la lana nel Lake District inglese. Le scarsa loquacità sarà una caratteristica che gli attribuiranno tutti coloro che lo incontreranno e, secondo alcuni storici, ha un fondamento nella cultura quacchera in cui è nato e cresciuto, e a cui rimarrà fedele per tutta la vita.

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John Dalton nasce il 5 o il 6 settembre del 1766 a Eaglesfield, in Scozia, quasi al confine con l’Inghilterra. Non riceve un’educazione formale, ma impara tutto molto facilmente da autodidatta. Tra i membri della comunità quacchera di Kendal, però, John Gough sarà quello che avrà su di lui l’influenza più decisiva, appassionandolo alla meteorologia e spingendolo a tenere un diario meteorologico. Dalton vi registrerà per tutta la vita temperature e livelli di precipitazioni delle città in cui vivrà. Ma sarà proprio dalle sue osservazioni di come si formano le nuvole e la pioggia a fornirgli il primo spunto di riflessione sulla natura atomica della materia.

Prima di seguirlo lungo questa strada, quella che gli ha dato la celebrità, vale la pena fare una piccola deviazione. Salto in avanti fino al 1794, quando Dalton si è già trasferito a Manchester, una città che si sta trasformando in uno dei poli principali dell’Inghilterra industriale, e viene ammesso alla Manchester Literary and Philosophical Society. il suo intervento di presentazione agli altri membri riguarda la cecità ai colori, un difetto della vista di cui egli stesso è affetto, come alcuni dei suoi familiari. Capisce, quindi, che si tratta di un tratto ereditario e prova anche a fornire una spiegazione. Dalton suppone che l’alterazione della percezione dei colori, almeno per il suo tipo di alterazione della vista, sia da attribuirsi a una possibile opacizzazione del corpo vitreo degli occhi, come se vedesse tutto attraverso un filtro blu che gli impediva di percepire i diversi colori. La spiegazione non è corretta, ma ancora oggi, in molte lingue diverse, daltonismo è il termine impiegato per indicare l’incapacità di distinguere i colori.

 

Che cosa ha scoperto?

Dalton è considerato il primo scienziato a enunciare la moderna teoria atomica della materia. L’idea che la materia sia composta di atomi ha predecessori illustri, da Leucippo e Democrito fino a Giordano Bruno e Pierre Gassendi, ma è il primo che prova a descriverli in maniera quantitativa, convinto che atomi di elementi differenti dovessero avere masse differenti. Lavorando alla solubilità in acqua di diversi gas, Dalton scrive: «Perché l’acqua non ammette la stessa quantità di ogni gas? […] Sono praticamente convinto che questa circostanza dipenda dal peso e dal numero massimo di particelle dei diversi gas». Atomi diversi, masse diverse, perciò una quantità diversa di ogni gas può essere disciolta in acqua. Queste considerazioni di Dalton sono tratte dal suo intervento del 1803 alla Manchester Literary and Philosophical Society, in un intervento che contiene anche la sua tabella con i pesi atomici di 6 elementi, dove l’idrogeno ha peso atomico pari a 1, e 15 molecole allora note. Vale la pena sottolineare qui che Dalton ha già chiaro che gli atomi si possono combinare per formare, appunto, molecole.

Dalton fa un passo ulteriore, e sostiene che se gli atomi di elementi diversi hanno masse diverse, allora non possono avere le stesse dimensioni. «Ogni tipo di fluido elastico puro (gas) è composto da particelle globulari e tutte della stessa dimensione; ma non esistono due specie [di gas] che concordino in quanto alla dimensione delle proprie particelle, a parità di temperatura e pressione». Accettando questa conclusione, Dalton libera la scienza dell’idea che uguali volumi di gas (a parità di pressione e temperatura) abbiano lo stesso numero di particelle, come confermeranno più tardi le osservazioni di Guy-Lussac e gli studi di Avogadro.

Il contributo più importante che Dalton ha dato alla ricerca dei pesi atomici è quella che oggi chiamiamo la Legge delle Proporzioni Multiple: «Se due elementi si combinano per formare più di un composto, allora i pesi relativi del secondo elemento che si combina con un determinato peso del primo saranno piccoli numeri interi». Quindi, nel monossido di carbonio e nel diossido di carbonio, per esempio, il rapporto di peso tra l’ossigeno e il carbonio sarà 1:2. Ci sono diverse eccezioni a questa semplice regola, ma valeva per la maggior parte dei composti noti all’epoca di Dalton. Quello che è importante, però, è che se ne deduce che i composti hanno una formula semplice e gli atomi devono avere pesi definiti. La base della teoria quantitativa valida ancora oggi.

Qual è l’eredità di Dalton?

I contemporanei e i chimici immediatamente successivi hanno riconosciuto Dalton e le sue ricerche come un elemento decisivo per lo sviluppo della chimica. Lo hanno fatto esplicitamente Guy-Lussac, che ha sottolineato la genialità dell’idea che le molecole siano composte da atomi legati tra loro; Avogadro, che basa esplicitamente le proprie ipotesi sugli studi di Dalton. Anche Jöns Berzelius, in un saggio pubblicato nel 1814, riconosce l’importanza del lavoro di Dalton e cita esplicitamente la sua Legge delle Proporzioni Multiple, sostenendo che da queste riflessioni gli venisse naturale pensare che gli atomi si legassero 1 a 1, 1 a 2 e così via. Con Berzelius, inoltre, si apre anche una piccola disputa sulla notazione chimica utilizzata. Se quella moderna è figlia diretta della notazione introdotta da Berzelius e diventata praticamente subito uno standard internazionale, Dalton non la accetterà mai e, anzi, continuerà a sostenere la notazione simbolica che aveva inventato, ritenendola più semplice. Si tratta di una serie di simboli astratti che dovevano rendere immediata la comprensione della combinazione degli atomi. La notazione di Berzelius ha sicuramente avuto la meglio, ma le rappresentazioni schematiche con palline e bastoncini che si trovano oggi nei libri di testo non sono poi così diverse da quelle proposte da Dalton.

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Esempio della notazione chimica proposta da John Dalton tratto dal suo New System of Chemical Philosophy (Immagine: Chemical Heritage Foundation)

Lappert e Murrell sottolineano che, probabilmente, Dalton avrebbe potuto raggiungere risultati ancora più importanti, sia sotto il profilo della carriera personale che delle scoperte scientifiche. In realtà, la seconda parte della carriera di Dalton è scarsa di studi davvero importanti. Ciò nonostante, in un periodo in cui le discussioni attorno alla natura della materia (come abbiamo visto a proposito della «strada sbagliata» di William Prout), Dalton «ha indicato la strada da seguire».

Michael F. Lappert e John N. Murrell hanno scritto un lungo articolo (in inglese) su John Dalton nel 2003, in occasione del ducentesimo anniversario della sua esposizione pubblica della Teoria Atomica della Materia. Si intitola «John Dalton, the man and his legacy: the bicentenary of his Atomic Theory» ed disponibile qui: http://matematicas.udea.edu.co/~carlopez/daton_theory.pdf

Una biografia (in inglese) di John Dalton pubblicata da Rutledge a Londra nel 1874 e firmata Henry Lonsdale dà l’idea dell’eredita culturale di Dalton già a pochi decenni dalla sua scomparsa. È disponibile qui: http://www.archive.org/stream/johndaltonfrsmem00lonsrich#page/n9/mode/2up

Nel 1940, un bombardamento ha distrutto quasi tutti i documenti originali di Dalton in possesso delle Manchester Literary and Philosophical Society, che però ha conservato vivo il ricordo di uno dei suoi più illustri membri e ha deciso di celebrare il 250° anniversario della sua nascita con una serie di eventi speciali. Programma: https://www.manlitphil.ac.uk/news/john-dalton-250th-anniversary-weekend

Per una trattazione più ampia del ruolo di Dalton nella storia della teoria atomica della materia si può consultare la scheda dedicata: http://online.scuola.zanichelli.it/bradychimica/files/2009/11/scheda-Dalton.pdf

 

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Commenti [2]

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  1. Eleonora

    Iniziare l’articolo con un ORRORE ortografico non è il meglio. Se facciamo gli scienziati senza sapere l’italiano…. Io sono laureata in matematica

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    • Marco Boscolo Autore articolo

      Gentile Eleonora, la ringrazio per la segnalazione dell’errore che era sfuggito anche a più riletture: succede. Per fortuna abbiamo lettori attenti che ci aiutano a migliorare. Con lo stesso spirito le faccio notare che i puntini di sospensione sono tre, non quattro… Buona giornata!

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