L’origine degli elementi chimici

25 09 2011

Penzias-Wilson   Molti anni fa ebbe un certo successo una canzone di Alan Sorrenti: Figli delle stelle. Ero un adolescente e allora non avrei mai pensato che per certi aspetti siamo proprio “figli delle stelle”. Perché? Perché tutti i 92 elementi chimici esistenti in natura e che possiamo osservare ben “sistemati” nella Tavola periodica, ordinati in base al loro numero atomico crescente, derivano in modo diretto o indiretto dalle stelle. Per la vita non servono tutti questi elementi perché i viventi sono costituiti per oltre il 99,99% da soli 11 elementi: O, C, H, N, Ca, P, K, S, Na, Cl e Mg. Altri 14 elementi (B, Cr, Co, Cu, F, I, Fe, Mn, Mo, Se, Si, Sn, V e Zn) sono presenti solo in tracce e complessivamente non superano lo 0,01% della massa corporea.

Ma partiamo dall’origine, dal Big Bang, anche se non siamo affatto sicuri che sia stato veramente l’inizio di tutto. Forse è solo un limite oltre il quale oggi non possiamo andare col nostro pensiero. Quasi tutti gli studiosi ormai accettano la teoria della grande esplosione, avvalorata da numerose prove, in particolare dalla scoperta della radiazione cosmica di fondo e dal fatto che tutti i corpi dell’universo si allontanano gli uni dagli altri in tutte le direzioni. È importante ricordare come venne rilevata la radiazione di fondo dell’universo o radiazione fossile. Due ingegneri della Bell Telephone Company, Penzias e Wilson, costruirono un’antenna molto potente da utilizzare nelle loro ricerche, però ben presto si accorsero che era disturbata da strane scariche e cercarono di individuare la causa del disturbo. Dopo vari tentativi andati a vuoto, tra cui la rimozione di un nido di piccioni in prossimità dell’antenna, nel 1964 ipotizzarono l’esistenza nel cosmo di una radiazione fossile della quale l’antenna riceveva continuamente traccia e la segnalava con quel disturbo. L’intuizione, confermata dalle osservazioni di altri studiosi, valse loro nel 1978 il premio Nobel per la fisica. Ritornando al Big Bang, dopo qualche milione di anni si pensa che la temperatura si sia abbassata a meno di 3000 °C e, per aggregazione di varie particelle subatomiche sia siano formati i protoni. Quando al nucleo costituito da un protone si è aggiunto un elettrone è nato l’atomo di idrogeno che, sappiamo, è il componente principale delle stelle. Probabilmente per aggregazioni successive si è formato anche l’elio: due protoni e due neutroni nel nucleo circondato da due elettroni. Ma la grande fabbrica dell’elio, di altra materia e di grandi quantità di energia doveva ancora venire.  È arrivata con la nascita delle stelle, originate per condensazione e contrazione, per effetto gravitazionale, di immense nubi prestellari o protostelle. A causa della contrazione, sono aumentati progressivamente pressione, densità e temperatura interna, fino ad innescare le reazioni termonucleari che trasformando idrogeno hanno prodotto enormi quantità di energia e grandi masse di elio e successivamente atomi di elementi più pesanti: carbonio, azoto, ossigeno e così via fino al ferro. Ma non tutte le stelle sono diventate fabbriche così efficienti, dipende dalla loro massa. Solo le stelle “massicce”, più grandi, sono riuscite ad arrivare alla formazione di atomi sempre più pesanti, ma non oltre il ferro. Altre stelle, come il nostro Sole, non riescono ad andare oltre la formazione degli atomi di carbonio con sei protoni e sei o più neutroni nel nucleo. Però queste ultime pur essendo più piccole ed avendo una media luminosità, sono vissute e vivono molto più a lungo, per miliardi di anni e alla loro “morte” hanno trattenuto nel loro nucleo gran parte degli elementi che hanno prodotto. Invece il destino delle stelle molto  più grandi e brillanti è stato diverso: al termine della loro vita molto breve (solo alcune decine di milioni di anni!) sono esplose diventando supernovae. Gli elementi costruiti, fino al ferro, vengono proiettati con enormi velocità nello spazio in tutte le direzioni, insieme ad una luce intensa (la luminosità può aumentare fino ad un miliardo di volte) e a grandi quantità di altre particelle e energia che formano una nebulosa residuale. Il nucleo di queste stelle, molto denso diventa, a seconda dei casi, un buco nero o una stella di neutroni implodendo verso l’interno per effetto della gravità. Se il nucleo ha una massa superiore a circa 4 masse solari, si origina un buco nero, se ha massa inferiore si trasforma in una stella di neutroni. L’esplosione di una supernovae è la manifestazione più spettacolare dell’universo. Il ferro ha numero atomico 26 e gli altri elementi più pesanti, fino all’uranio numero atomico 92, come si sono formati? Proprio grazie all’esplosione di milioni di supernovae durante le storia dell’universo spargendo per il cosmo gli atomi già formati, insieme a protoni, neutroni e innumerevoli altre particelle. Le esplosioni stesse, con l’energia prodotta, hanno determinato la loro aggregazione e la conseguente formazione di elementi più pesanti del ferro, in quantità decrescenti a mano a mano che aumentava il numero atomico. Ecco perché gli elementi di numero atomico elevato sono più rari e anche più preziosi. Per arrivare alle quantità di elementi oggi presenti sulla Terra e sugli altri pianeti, ci sono volute numerosissime esplosioni dopo il Big Bang, fino a quasi cinque miliardi di anni fa, quando si è formato il nostro Sistema solare. Come? Gli atomi più periferici di una nebulosa fredda, sparsi per il cosmo, spesso si sono aggregati a formare molecole che, a loro volta, unendosi hanno formato le polveri cosmiche: grani dalle dimensioni di alcuni decimi di micron. Queste polveri si sono unite sempre per effetto della gravità a formate strutture di dimensioni sempre più grandi, fino ad ottenere asteroidi, satelliti e pianeti. Il Sole invece ha avuto origine dalla condensazione di masse maggiori, provenienti dalla zona centrale della nebulosa, fino ad ottenere una massa in grado di innescare nel nucleo le reazioni di fusione termonucleare.

L’immagine di Penzias e Wilson con la loro antenna è tratta da: http://woodahl.physics.iupui.edu/Astro105/23-05.jpg




L’insegnamento della chimica

11 09 2011

CHEMISTRY      Sono stato studente di liceo negli anni ’70. Oggi l’insegnamento della chimica è distribuito un po’ in tutto il quinquennio di liceo scientifico, con intrecci e collegamenti con la biologia, e le scienze della Terra. Allora veniva trattata soltanto al quarto anno e di quel corso di chimica ricordo ben poco. Ricordo però che il mio professore di scienze e chimica era un geologo che, impegnato a svolgere la libera professione, riuscì a farci appassionare solo per le scienze della Terra durante l’ultimo anno. Ricordo di essere stato quasi mai in un laboratorio di chimica. Di fatto non c’era, si riusciva a fare qualcosa nel laboratorio di “scienze”. L’insegnamento scientifico di allora era prevalentemente descrittivo. Ho ritrovato e studiato chimica con maggiore serietà all’università.

            Oggi, come si dice, sono dall’altra parte della cattedra, anche se non è più come allora uno strumento di separazione tra docenti e alunni. I rapporti sono diversi ma la chimica viene ancora vista da alcuni come una materia “difficile”, come la matematica. Eppure la situazione è cambiata molto, anche nei libri di testo. Ci sono riferimenti e schede storiche legate alla chimica, alle sue scoperte e al suo sviluppo. Si trovano frequenti riferimenti al quotidiano e alla tecnologia. Per non parlare dei polimeri, delle materie plastiche utilizzate ormai ovunque e della chimica biologica che permette di inquadrare e capire meglio molti processi dei viventi.

La progettazione didattica dell’insegnamento della chimica nelle scuole di secondo grado è incentrata su un impianto modulare, con obiettivi ben definiti e praticabili, riferiti ai nuclei fondanti della disciplina. In un corso articolato in moduli, gli aspetti concettuali e quelli sperimentali relativi sono interconnessi. Tutto questo però deve tener conto anche dei cambiamenti introdotti dall’ultima riforma: soprattutto riduzione delle ore di insegnamento in molti tipi di istituti. Ad esempio le ore di chimica (scienza della materia) nel biennio degli ex ITC, oggi IT per il marketing, sono dimezzate: solo due ore settimanali in seconda, in prima non ci sono più. Per non parlare della riduzione o azzeramento dei fondi per attrezzature e materiali di laboratorio. Sono state ridefinite anche le indicazioni nazionali dell’insegnamento delle varie discipline. Riporto quelle dell’insegnamento della chimica nei licei scientifici, (simili a quelle del classico, del linguistico, e del liceo delle scienze umane) che sono quelli che raccolgono il maggior numero di alunni iscritti, con un danno per gli istituti tecnici e per le imprese che segnalano una carenza di personale tecnico.

Primo biennio

Lo studio della chimica comprende l’osservazione e descrizione di fenomeni e di reazioni semplici (il loro riconoscimento e la loro rappresentazione) con riferimento anche a esempi tratti dalla vita quotidiana; gli stati di aggregazione della materia e le relative trasformazioni; il modello particellare della materia; la classificazione della materia (miscugli omogenei ed eterogenei, sostanze semplici e composte) e le relative definizioni operative; le leggi fondamentali e il modello atomico di Dalton, la formula chimica e i suoi significati, una prima classificazione degli elementi (sistema periodico di Mendeleev).

Fatti salvi i contenuti di scienze della Terra, che andranno affrontati nella prima classe e sviluppati in modo coordinato con i percorsi di Geografia, i contenuti indicati saranno sviluppati dai docenti secondo le modalità e con l’ordine ritenuti più idonei alla classe, al contesto anche territoriale, alla fisionomia della scuola e alle scelte metodologiche da essi operate.

Secondo biennio

Si riprende la classificazione dei principali composti inorganici e la relativa nomenclatura. Si introducono lo studio della struttura della materia e i fondamenti della relazione tra struttura e proprietà, gli aspetti quantitativi delle trasformazioni (stechiometria), la struttura atomica e i modelli atomici, il sistema periodico, le proprietà periodiche e i legami chimici. Si introducono i concetti basilari della chimica organica (caratteristiche dell’atomo di carbonio, legami, catene, gruppi funzionali e classi di composti ecc.). Si studiano inoltre gli scambi energetici associati alle trasformazioni chimiche e se ne introducono i fondamenti degli aspetti termodinamici e cinetici, insieme agli equilibri, anche in soluzione (reazioni acido-base e ossidoriduzioni), e a cenni di elettrochimica. Adeguato spazio si darà agli aspetti quantitativi e quindi ai calcoli relativi e alle applicazioni.

Quinto anno

Nel quinto anno è previsto l’approfondimento della chimica organica. Il percorso di chimica e quello di biologia si intrecciano poi nella biochimica e nei biomateriali, relativamente alla struttura e alla funzione di molecole di interesse biologico, ponendo l’accento sui processi biologici/biochimici nelle situazioni della realtà odierna e in relazione a temi di attualità, in particolare quelli legati all’ingegneria genetica e alle sue applicazioni.

Come si vede si tratta di indicazioni generali che dovrebbero suscitare l’interesse anche degli alunni ma come sempre la differenza viene fatta dalle motivazioni personali di docenti e studenti, dal rapporto che si instaura tra loro, dall’ambiente di lavoro, dai libri di testo più o meno chiari, dalla disponibilità di laboratori attrezzati e dalla presenza o meno di un tecnico di laboratorio disponibile e competente. Le variabili che determinano il successo o meno del processo di insegnamento apprendimento sono tante. A queste si deve aggiungere che, spesso, il supporto dei colleghi di sostegno non copre tutte le ore degli alunni diversamente abili che andrebbero seguiti in un rapporto uno a uno. Non è tutto: come è possibile fare attività laboratoriali con classi da 33 studenti? Una mia classe prima e alcune altre del mio istituto sono effettivamente così numerose.

Sarebbe bello e sicuramente più proficuo procedere di pari passo con attività sperimentali e lo studio dei concetti, ma non sempre è possibile. Nella scuola, oltre al livello assoluto di conoscenze, abilità e competenze, è altrettanto importante l’entusiasmo e la collaborazione tra studenti e docenti. Sono questi ultimi due aspetti, secondo me, che garantiscono un apprendimento più significativo e duraturo dei concetti fondamentali di chimica e di altre discipline.

L’immagine è tratta da: www.mnstate.edu/provost/




La settimana della chimica

2 09 2011

Settimana-della-Chimica-logo      È stata fissata per il periodo 10-16 ottobre 2011 ed è la settimana cruciale dell’anno internazionale della chimica. Sono molte le manifestazioni previste nelle varie regioni e altre ancora saranno organizzate a livello locale o anche in singoli istituti scolastici o università.

Il logo scelto, come ha fatto notare qualcuno, somiglia molto ad uno dei logo finalisti per la scelta di quello del Carnevale della chimica organizzata da Franco Rosso di http://www.chimicare.org molto tempo fa. Ma veniamo a qualche segnalazione importante. Tra gli eventi previsti per le scuole, a Torino, merita senz’altro attenzione l’incontro “IL MONDO DEI POLIMERI: dalle scoperte di Natta alle innovazioni di prodotto” che si terrà Martedì 4 Ottobre 2011 (ore 9,30-12,30), presso il Centro Congressi dell’Unione Industriale di Torino (Via Vela. 17 – Torino), ed è rivolto a tutte le scuole secondarie di secondo grado del Piemonte, con particolare riferimento agli studenti delle ultime due classi. Nella manifestazione vari relatori illustreranno la portata innovativa delle scoperte di Natta, le loro ricadute industriali e le nuove sfide dei polimeri per il futuro. Ricordo che già in un nostro precedente post, agli inizi del 2011, avevamo scritto di Giulio Natta  e del Nobel ricevuto insieme a Karl Ziegler. Riporto un passo della motivazione che nel 1963 portò l’Accademia del Premio all’assegnazione del Nobel per la chimica a Natta: “Professor Natta, Lei è riuscito a preparare mediante un nuovo metodo macromolecole che hanno una struttura spaziale regolare. Le conseguenze scientifiche e tecniche della sua scoperta sono immense e ancora non possono essere valutate pienamente”.

La manifestazione è stata organizzata in concorso tra l’Accademia Nazionale dei Lincei e l’Associazione Provinciale Industrie Materie Plastiche. L’incontro è coordinato da Piero Bianucci, scrittore e giornalista scientifico.