Quanto ossigeno c’è intorno a noi, e quanto invece su Venere o Marte? Saperlo ci serve per capire chi siamo, e perché siamo vivi. Lo spiega il divulgatore scientifico Philip Ball.
in copertina e lungo il testo opere di J. J. Grandville
Questo testo è un estratto da Elementi, di Philip Ball. Ringraziamo Mimesis per la gentile concessione.
di Philip Ball
Spesso si dice che Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) ha fatto per la chimica quel che Isaac Newton ha fatto per la fisica e Charles Darwin per la biologia: da una raccolta di fatti disparati l’ha trasformata in una scienza dai principi unificati.
Ma è una questione di tempismo. Nel XVII secolo il lavoro di Newton segnala l’inizio dell’Illuminismo, la fede nella ragione quale strumento per decifrare l’universo e migliorare la condizione umana. E le teorie di Darwin cominciano a diffondersi quando le solide certezze della scienza e della cultura ottocentesca cedono il passo alle vertiginose prospettive del modernismo; in quello stesso periodo cambiano anche tutte le vecchie regole dell’arte, della musica e della letteratura.
E Lavoisier? Il chimico francese seguì la sorte del nuovo mondo propugnato dall’Illuminismo: assassinato durante il Terrore di Robespierre. L’ottimismo liberale di filosofi e pensatori come Voltaire, Montesquieu e Condorcet naufragò davanti alle volubili passioni e all’arbitraria brutalità dei rivoluzionari francesi. La ragione venne deposta e, nei decenni che seguirono, la chimica diventò la scienza romantica per eccellenza.
La sfortuna di Lavoisier, e di Condorcet, fu che in Francia i più importanti pensatori avevano buone probabilità di finire invischiati nella politica. Mentre in Inghilterra la scienza era ancora uno svago da “gentiluomini” muniti di soldi e tempo da perdere, la Francia aveva una sua Accademia delle Scienze, approvata dallo Stato, i cui membri spesso ricoprivano incarichi pubblici, diventando figure di spicco della vita politica.
Prima di diventare un famoso scienziato, Lavoisier faceva l’esattore delle tasse e per molti versi fu questa sua vecchia occupazione a segnarne il destino. Ma la sua competenza chimica gli garantì anche l’insigne posizione di direttore nell’Amministrazione delle Polveriere reali di Luigi XVI, e in qualità di tesoriere e segretario effettivo dell’Accademia delle Scienze si oppose strenuamente al suo scioglimento, deciso nel 1796 dall’antielitista amministrazione giacobina. Lavoisier era un bersaglio facile per i cacciatori di streghe della Rivoluzione, determinati a purgare la nazione dagli individui la cui lealtà alla Repubblica era, a loro parere, in dubbio. E così nel 1794 Lavoisier fu costretto a chinare il capo davanti alla lama che aveva appena mozzato la testa di suo suocero.
A due secoli di distanza, infiamma ancora il dibattito se Lavoisier sia o non sia il vero scopritore di uno dei più importanti elementi chimici: l’ossigeno. La questione è diventata il soggetto di una commedia scritta da due chimici tra i più importanti del mondo, il premio Nobel Roald Hoffmann e il coinventore della pillola contraccettiva, Carl Djerassi. In Ossigeno, il comitato del Nobel del 2001 ha deciso di assegnare dei “Nobel retroattivi” per le grandi scoperte avvenute prima dell’istituzione del premio, nel 1901. Viene deciso che il primo Nobel per la chimica debba andare allo scopritore dell’ossigeno, perché, afferma uno dei personaggi, “la Rivoluzione Chimica nasce con l’ossigeno”. Lavoisier diede il nome all’elemento, ma non fu il primo a farlo, né a riconoscerlo quale sostanza distinta e importante. Il comitato litiga furiosamente sui tre canditati principali, mentre un loro immaginario incontro nel 1777 svela particolari inediti sulla lotta combattuta dai tre per assicurarsene la paternità.
Ma questa non è che una parte della storia. L’ossigeno è indubbiamente il principio organizzativo della chimica moderna, ma è anche un trait d’union tra il vecchio e il nuovo, tra le radici alchemiche della chimica di Robert Boyle e la sintesi di infinite meraviglie negli impianti chimici di oggi. Nel fare da tramite, segna una fase cruciale nello sviluppo del concetto di elemento.
C’è qualcosa nell’aria
Lavoisier provocò due traumi agli elementi aristotelici. I suoi esperimenti sull’acqua lo portarono a concludere nel 1783 che “non si tratta affatto di una sostanza semplice, un elemento propriamente detto”. E, per quanto riguarda l’altro elemento fluido dell’antichità, annunciò che “l’aria dell’atmosfera è dunque composta di due fluidi elastici di natura diversa, e per così dire opposta”, che chiamò “aria mefitica” o “mofetta” e “aria eminentemente respirabile”. In altre parole, né l’acqua né l’aria sono un elemento.
Battezzò i costituenti dell’acqua idrogeno (creatore d’acqua) e ossigeno, che si combinano in una proporzione di due a uno, riflessa nella nota formula chimica H2O. L’aria è una sostanza più complessa. La frazione di “aria eminentemente respirabile”, capì Lavoisier, è un elemento a sé stante: l’ossigeno. Il nome deriva dal greco antico e significa “creatore di acido”, in quanto Lavoisier riteneva erroneamente che l’ossigeno fosse un componente di tutti gli acidi. Per il “fluido” cosiddetto mefitico, propose il nome di azoto o gas azotico, la cui etimologia greca ci dice che è un nemico della vita. Lavoisier scoprì che questo componente, una volta isolato, aveva la proprietà “di privare di vita gli animali che lo respirano”. Ragionevolmente, concluse che fosse nocivo. In realtà non è velenoso, ma soltanto inutile: separato dall’ossigeno, non è in grado di sostenere la vita. Lavoisier notò che questo gas “forma una parte dell’acido nitrico, e questo giustifica il suo nome, nitrogeno”. Comunque lui preferiva il suo azoto, e tuttora in Francia si usa prevalentemente questa denominazione.
Lavoisier non intendeva fare tabula rasa della tradizione, e anzi garantì che: “Non abbiamo giudicato che ci fosse permesso di cambiare nomi ricevuti e consecrati [sic] nella società da un uso antico. Abbiamo dunque […] espresso nello stesso modo sotto la parola aria la collezione dei fluidi elastici che compongono la nostra atmosfera”.
La stima che Lavoisier fece di questa “collezione di fluidi” è piuttosto incompleta, seppure per motivi più che comprensibili. Insieme, ossigeno e azoto costituiscono il 99% dell’aria; ma la percentuale restante è una miscela fantastica. Per lo più è argon (vedi p. 153) un elemento estremamente non reattivo. Poi c’è una piccola, variabile percentuale di vapore acqueo (abbastanza da condensarsi in nubi e gocce di pioggia quando l’aria si raffredda) e circa uno 0,08% dell’aria è anidride carbonica. Tra gli altri gas presenti in bassissima percentuale ci sono il metano, l’ossido nitroso, il monossido di carbonio, il biossido di zolfo e l’ozono. Fino a qualche decennio fa, molti dei costituenti minori dell’aria non erano ancora stati individuati. Ma, nonostante la loro bassa concentrazione, hanno un ruolo cruciale nella chimica dell’atmosfera e dell’ambiente. Alcuni sono gas serra e scaldano il pianeta. Altri sono inquinanti tossici. Alcuni derivano da fonti naturali, altri sono un prodotto umano; molti sono entrambe le cose. Per capire le proprietà e il comportamento dell’atmosfera, i chimici odierni di solito devono tener conto di reazioni che coinvolgono decine o persino centinaia di gas a bassa concentrazione nonché i prodotti di quelle reazioni.
L’ossigeno e l’azoto sono elementi, ma la maggior parte degli altri gas sono dei composti formatisi in seguito a una reazione e combinano insieme due o tre elementi diversi. Nel gas ossigeno, ogni atomo d’ossigeno è legato a un altro atomo d’ossigeno. Nel monossido di carbonio, un atomo di ossigeno è legato a un atomo di carbonio.
Dando forse adito a una certa confusione, quando i chimici usano il termine “elemento” possono riferirsi sia a un preciso tipo di atomo – l’ossigeno presente nella ruggine o nell’acqua continua a essere un elemento in questa accezione – sia a una sostanza fisica che contiene un unico tipo di atomo, come il gas ossigeno o un pezzo di rame. Alcuni elementi, inclusa la maggior parte dei metalli, di solito si presentano naturalmente in composti, dove i loro atomi sono legati a quelli degli altri elementi. Altri invece si presentano naturalmente in forma pura o “elementale”, come l’oro e lo zolfo. Non è molto diverso dal dire che un gatto è sia una cosa astratta con proprietà distintive – orecchie a punta, una coda, la tendenza a fare le fusa e a cacciare i topi – sia quella realissima, calda creatura dal pelo fulvo a cui siete tanto affezionati.
Dunque l’aria è (per lo più) ossigeno e azoto, mentre l’acqua è ossigeno e idrogeno. Ma nell’aria gli elementi si mescolano in modo diverso: nell’acqua ciascun atomo di ossigeno si lega chimicamente a due atomi di idrogeno e solo una reazione chimica può separarli; nell’aria invece i due elementi sono mescolati fisicamente, come granelli di sabbia e sale, e quindi possono essere separati senza una reazione chimica. All’epoca, Lavoisier fu comunque costretto a ricorrervi: usando la combustione, lo scienziato permise all’ossigeno di combinarsi con altre sostanze, lasciando l’azoto in forma quasi pura. Ma le tecniche moderne sono in grado di realizzare la separazione fisica di questi elementi.
L’ombra dell’ossigeno
La conclusione a cui giunse Lavoisier riguardo all’aria non era affatto una novità. Proprio come non fu il primo a creare l’acqua partendo dai suoi elementi costitutivi, neppure poté rivendicare la paternità dell’idea che l’aria contenga due sostanze dissimili. A rendere speciale la tesi di Lavoisier non fu l’osservazione, ma l’interpretazione.
La seconda metà del Settecento fu l’epoca della “chimica pneumatica”: il principale oggetto di interesse di quella disciplina erano le proprietà dei gas, che venivano chiamati “arie”. All’inizio del secolo, l’ecclesiastico inglese Stephen Hales aveva inventato il “bagno pneumatico”, un congegno per la raccolta dei gas sprigionati da sostanze riscaldate: fu proprio questo strumento a determinare la nuova attenzione riservata ai gas. Mentre nell’antichità per “aria” si intendeva qualsiasi sostanza gassosa, il congegno di Hales consentì ai chimici di capire che non tutte le “emanazioni” erano uguali, e che quindi non potevano essere considerate uno stesso elemento inalterabile.
Ad esempio, c’era l’“aria fissa” studiata dal chimico scozzese Joseph Black (1728-1799). Nella seconda metà del Settecento, Black scoprì che quando si scaldavano o si trattavano con acido i sali carbonati, si produceva un gas. Nei solidi, rifletté lo scienziato, l’aria era “fissa” fino a che non veniva liberata. Diversamente dall’aria comune, l’aria fissa rendeva torbida l’acqua di calce (una soluzione di idrossido di calcio). Oggi sappiamo che ciò è dovuto alla formazione di carbonato di calcio (gesso, praticamente), che è insolubile. Black scoprì che il respiro umano, i gas sprigionati durante la combustione e il prodotto gassoso della fermentazione hanno tutti lo stesso effetto sull’acqua di calce. L’aria fissa è biossido di carbonio, in cui i carbonati si decompongono se esposti al calore.
L’allievo di Black, Daniel Rutherford (1749-1819), chiamò invece questo gas “aria mefitica”: secondo la tradizione, la mephitis è un’emissione nociva, che si credeva provenisse dalla terra e causasse la peste. Gli sembrò un nome appropriato, visto che gli animali morivano in un’atmosfera di questo nuovo gas. L’aria mefitica di Rutherford non è però la stessa di Lavoisier, cioè l’azoto. Eppure la scoperta dell’azoto viene attribuita a Rutherford, perché dimostrò che era un componente non reattivo dell’aria comune. Solo un quinto circa dell’aria comune è “buono”, mantiene in vita, riportò Rutherford nel 1772. Se per qualche motivo quest’aria buona viene consumata, ciò che rimane fa spegnere le candele e soffoca i topi. Altri due chimici pneumatici inglesi, Henry Cavendish (1731-1810) e Joseph Priestley (1733-1804), fecero identiche osservazioni intorno al 1760; anzi, risultati analoghi risalgono all’epoca di Robert Boyle. Ma Black fu il primo ad avanzare l’ipotesi che l’azoto fosse un elemento distinto.
Gli esperimenti di Joseph Priestley con il bagno di Hales furono straordinariamente proficui. Il chimico isolò circa venti arie diverse, tra cui cloruro di idrogeno (o acido cloridrico), ossido di azoto (o ossido nitrico) e ammoniaca. Ma inizialmente né lui né i suoi contemporanei considerarono queste sostanze dei composti distinti. Il retaggio degli elementi aristotelici era ancora forte e i chimici pneumatici preferirono considerare ciascun gas “aria comune” alterata, ad esempio in stati di maggiore o minore impurità. Un’abitudine difficile da perdere persino per Lavoisier.
Questo pregiudizio rifletteva qualcosa di più di una semplice fedeltà alle idee classiche. I chimici pneumatici avevano una teoria per spiegare le reazioni chimiche dei gas, che modellavano così da farla corrispondere con ogni nuova osservazione. Invocava lo pseudoelemento più celebre di tutta la chimica: il flogisto.
L’alchimia mutò nella chimica moderna passando per diverse fasi e la teoria del flogisto fu senza dubbio l’ultima. Possiamo rintracciare quest’ipotetica sostanza già nello zolfo di Jabir ibn Hayyan, il presunto componente di tutti i metalli. Il vero zolfo, quel solido giallo estratto dalla terra, era una sostanza combustibile, un componente della polvere da sparo e ciò che ribolliva sotto le fiamme dell’inferno. È quindi comprensibile che lo zolfo alchemico dei tre “principi” di Paracelso diventasse la terra pinguis di Johann Becher: terra grassa, il principio oleoso della combustibilità. Il discepolo di Becher, Georg Ernst Stahl (1660-1734), gli diede un nuovo nome: flogisto, dal greco phlogízein, “infiammare”.
Per alcuni chimici il flogisto era il fuoco stesso, una forma dell’antico elemento. Altri, che accettavano la vaga distinzione tra “elementi” e “principi” alchemici, convennero con la definizione di terra pinguis data da Becher: “I metalli contengono un principio infiammabile che, per azione del fuoco, si sprigiona nell’aria”.
Sembra abbastanza ragionevole dedurre, davanti al fuoco e al fumo di un ceppo in fiamme, che il legno stia rilasciando una qualche sostanza nell’aria. Era il flogisto, l’essenza dell’infiammabilità. Ne volete una prova? Fate bruciare la fiamma di una candela in un contenitore sigillato. La fiamma alla fine si spegnerà, sostenevano i flogisti, perché l’aria si satura di flogisto, liberato dalla candela.
Generalmente i metalli non bruciano sprigionando fiamme, ma quando vengono riscaldati all’aria possono convertirsi in nuove, grigie sostanze. Nel Settecento questo processo era detto calcinazione e il suo prodotto erano le calci; riscaldando la calce in presenza di carbone, si ottiene nuovamente il metallo. Si dava per scontato che anche i metalli sprigionassero flogisto, durante la calcinazione. In particolare, il carbone doveva essere ricco di flogisto (altrimenti perché sarebbe bruciato così bene nelle stufe e nelle fornaci?) e quindi in grado di restituire questa sostanza alla calce, generando nuovamente il metallo.
C’è solo un problema. È vero che il legno, mentre perde massa durante la combustione, sembra rilasciare una qualche sostanza nell’aria. Ma i metalli calcinati aumentano di peso. Come può, la perdita di flogisto, farli diventare più pesanti? La maggior parte dei chimici evitò la questione; alcuni asserirono che il flogisto era privo di peso, o persino che avesse peso negativo o fosse in grado di conferire leggerezza.
La teoria del flogisto di Stahl venne rielaborata a spiegare non solo la combustione, ma molti altri processi, compresi quelli biologici. Dava conto degli acidi e degli alcali, della respirazione e degli aromi delle piante. Si trattò di una teoria chimica che, per quanto non onnicomprensiva, per lo meno conferì alla disciplina un’unità impressionante.
Nel 1772 Lavoisier era ancora un seguace dell’ortodossia flogistica, ma aveva iniziato a sospettare che nella combustione ci fosse anche qualcos’altro. Verso la fine di quell’anno, ipotizzò che i metalli assorbissero aria quando venivano calcinati e che la calce rilasciasse quest’aria fissa quand’era “ridotta” a metallo grazie all’azione del carbone e del calore. Nel 1793, venuto a sapere dell’aria fissa di Black, decise che era proprio con quel tipo di aria che i metalli si combinavano a formare le calci. Per lo meno questo avrebbe spiegato l’aumento di peso. E avrebbe anche evitato di chiamare in causa il flogisto.
Poi un farmacista francese di nome Pierre Bayen fece notare a Lavoisier che bastava riscaldare la “calce di mercurio”, l’attuale ossido di mercurio, per convertirla in mercurio, senza dover avvalersi di carbone ricco di flogisto. Inoltre il gas rilasciato nel processo non era l’aria fissa di Black, bensì qualcosa di molto diverso. Ma che cosa, esattamente? Lavoisier cominciò a farsi un’idea della risposta quando invitò a cena Joseph Priestley.
Priestley, un pastore presbiteriano anticonformista, faceva il precettore presso il duca di Shelburne, che finanziava i suoi studi scientifici. Nell’agosto del 1774 Priestley svolse lo stesso esperimento di Bayen, scaldando l’ossido di mercurio e raccogliendo il prodotto gassoso. Scoprì che, in presenza di quel gas, la fiamma di una candela bruciava ancora più luminosa che all’aria comune e che un pezzo di brace di carbone diventava incandescente. In quest’“aria”, la combustione prosperava.
Ovviamente, pensò Priestley, l’“aria” era particolarmente priva di flogisto e quindi sentiva la necessità di assorbirlo dalle sostanze che stavano bruciando. Per tutta la vita, Priestley non dubitò mai della propria fede nella teoria flogistica e chiamò questo nuovo gas “aria deflogisticata”.
Nel 1775 Priestley scoprì che questa sostanza aveva una proprietà ancora più miracolosa. I topi tenuti in un recipiente di vetro pieno di “aria deflogisticata” sopravvivevano per molto più tempo dei topi rinchiusi in un identico vaso colmo di aria comune. C’era qualcosa di vitale, in questa sostanza, e quando Priestley stesso la inalò riportò che “per un certo tempo, il mio respiro fu particolarmente leggero e agevole”. Così previde che potesse essere usata come sostanza medicinale, sebbene “finora solo i miei topi e io abbiamo avuto il privilegio di respirarla”.
E qui Priestley si sbagliava, perché già nel 1674 l’assistente di Robert Boyle, John Mayow (1641-1679), aveva affermato che, grazie a un gas rilasciato dal salnitro (nitrato di potassio) riscaldato, nei polmoni il sangue arterioso diventava rosso. Mayow disse che durante la calcinazione i metalli si appesantivano poiché assorbivano particelle di questo gas “nitro-volatile” (che, naturalmente, non era altro che ossigeno). E nel 1771-1772 un farmacista svedese chiamato Karl Wilhelm Scheele (1742-1786), tra i migliori chimici sperimentali dell’epoca, condusse lo stesso esperimento di Mayow e isolò un gas che migliorava la combustione. Suppose che questo componente infiammabile dell’aria comune, che battezzò “aria di fuoco”, durante la combustione si combinasse con il flogisto.
L’aria deflogisticata di Priestley aveva dunque un passato nascosto. Il lavoro di Scheele era ancora sconosciuto nel 1775, dal momento che il farmacista annunciò le sue scoperte (tra cui il fatto che l’“aria fissa” costituiva un quinto dell’aria comune) solo nel 1777.
Priestley e Shelburne cenarono con Lavoisier a Parigi nell’ottobre del 1774 e a tavola Priestley menzionò le proprie scoperte. Sommandole ai risultati di Bayen, Lavoisier si convinse che, dopotutto, nella calcinazione i metalli non si combinavano con l’“aria fissa”. Bayen riferì che il gas rilasciato dall’ossido di mercurio era come l’aria comune e nel marzo del 1775 Lavoisier annunciò che, in base ai suoi esperimenti con l’ossido di mercurio, tutte le calci erano una combinazione dei metalli con tale tipo di gas.
Udendo la notizia, Priestley capì che Lavoisier non aveva colto le qualità “superiori” della sua “aria deflogisticata”: non era semplice aria comune. Inviò al francese un campione di quel gas perché ne verificasse le proprietà. Il risultato fu che, in aprile, Lavoisier presentò una pubblicazione all’Accademia delle Scienze, in cui identificava il principio della combustione – il gas di Priestley – con un’aria particolarmente “pura”. Per non smentire la sua famosa arroganza, non fece alcun cenno ai contributi di Priestley e Bayen.
In Ossigeno, Priestley, Lavoisier e Scheele sono i tre personaggi che si contendono la scoperta del gas omonimo. Nella realtà, il ruolo di Scheele non fu secondario quanto può sembrare. Il suo resoconto della scoperta fu mandato agli editori nel 1775, ma impiegò due anni a essere stampato. Fatto ancora più importante, nel settembre del 1774 Scheele spedì una lettera a Lavoisier, mettendolo a parte delle sue scoperte. Non si sa che fine fece quella lettera, ma in Ossigeno assume un’importanza cruciale.
Lavoisier sarà anche stato spregiudicato nell’arrogarsi la paternità della scoperta, però va detto che non si limitò a ripetere i risultati altrui. Per Priestley, l’ossigeno doveva esser considerato una forma di aria comune modificata dall’eliminazione del flogisto e anche Scheele la pensava in questo modo. Lavoisier invece arrivò a capire che quest’“aria pura” era in realtà una sostanza di per sé. Dunque, l’aria non era un elemento, ma una miscela. È Lavoisier che fece dell’ossigeno un elemento.
La cronologia degli eventi suggerisce che l’ossigeno derivò semplicemente da tentativi di spiegare la combustione. Ma Lavoisier era altrettanto ansioso di fare di questo nuovo elemento il principio esplicativo dell’acidità, che continuava a essere un mistero per i chimici. Questa volta non ebbe altrettanta fortuna. Molti elementi non metallici, come lo zolfo, il carbonio e il fosforo, combinati con l’ossigeno producono gas che, disciolti in acqua, danno origine agli acidi, ed è per questo che Lavoisier diede al nuovo elemento quel nome (in tedesco l’ossigeno è tuttora noto come Sauerstoff, “cosa acida”). Ma non tutti gli acidi contengono ossigeno e quelli che lo contengono non devono a esso la loro acidità.
La teoria di Lavoisier rivela che lo scienziato continuava ad avere una visione alquanto tradizionale degli elementi. Generalmente erano considerati simili ai colori o alle spezie, dotati di proprietà intrinseche che restavano visibili in una miscela. Ma non è così. Un singolo elemento può mostrare caratteristiche molto diverse a seconda della sostanza con cui si combina. Il cloro è un gas corrosivo e velenoso; combinato con il sodio nel sale da tavola è totalmente innocuo. Il carbonio, l’ossigeno e l’azoto sono essenziali alla vita, ma il monossido di carbonio e il cianuro (una combinazione di carbonio e azoto) sono letali. Per i chimici era un’idea difficile da accettare. Lavoisier stesso fu messo sotto accusa per aver sostenuto che l’acqua è composta di ossigeno e idrogeno: infatti l’acqua spegne gli incendi (è “il più potente anti-flogisto in nostro possesso”, scrisse un critico di Lavoisier), mentre l’idrogeno è spaventosamente infiammabile.
La scoperta dell’ossigeno non rese solo inutile il flogisto: i due erano semplicemente incompatibili. L’ossigeno è l’esatto contrario del flogisto. Durante la combustione viene consumato, non espulso. La combustione cessa quando l’aria non ha più ossigeno, non quando è satura di flogisto. In realtà, se il flogisto sembrava funzionare così bene, era proprio per questa sua qualità speculare. Alla scienza occorreva un elemento di quel genere per spiegare la combustione, solo che aveva guardato al problema dalla prospettiva sbagliata. Il flogisto era l’ombra dell’ossigeno.
Lavoisier comunque rinnegò il flogisto un passo alla volta. Dapprima evitò semplicemente di menzionarlo. Solo nel 1785 si decise a emettere una condanna formale. Ma quando lo fece, non usò mezzi termini:
I chimici hanno trasformato il flogisto in un principio vago, non rigorosamente definito e che di conseguenza si adatta a tutte le spiegazioni nelle quali lo si vuol fare entrare. Questo principio è ora pesante, ora non è pesante; ora è il fuoco libero, ora è il fuoco combinato con l’elemento terroso; ora passa attraverso i pori dei recipienti, ora questi ultimi sono impenetrabili per lui; spiega contemporaneamente la causticità e la non-causticità, la diafaneità e l’opacità, i colori e l’assenza dei colori. È un vero Proteo che cambia forma in ogni momento.
Eppure, nemmeno Lavoisier poteva rinunciare a tutto ciò che il flogisto rappresentava. Come molti suoi contemporanei, considerava il calore una sostanza fisica, simile all’antico fuoco elementale. Lo denominò “calorico” e suonava in modo sospetto come un flogisto mascherato. Il calorico era ciò che rendeva gassose le sostanze; il gas ossigeno ne era pieno. Quando l’ossigeno reagiva con i metalli a formare le calci, c’era una dispersione di calorico (si sprigionava calore) e di conseguenza l’ossigeno diventava denso e pesante.
Tali idee sono palesi in un saggio di Lavoisier datato 1773, dove lo scienziato stabilisce i tre stati fisici della materia: solido, liquido e gassoso. In questo testo opera una distinzione fondamentale, quella tra natura fisica e natura chimica delle sostanze che tanto aveva confuso gli antichi: “Questi tre stati dipendono soltanto dalla quantità più o meno grande di materia del fuoco [calorico] da cui i corpi sono penetrati e con la quale si combinano”.
Questa fede in una specie di fuoco elementale (nonostante il nuovo nome elegante) non è l’unico residuo di classicismo presente in Lavoisier. Il chimico mantenne l’idea che i veri elementi fossero onnipresenti, o per lo meno componessero moltissime sostanze:
Non basta che una sostanza sia semplice, indivisibile o almeno indecomposta perché la si possa definire un elemento. Deve essere anche abbondantemente distribuita in natura e rientrare, in qualità di principio essenziale e costituente, nella composizione di un alto numero di corpi.
Nonostante queste regressioni, Lavoisier cambiò il modo di pensare dei chimici riguardo agli elementi. All’inizio del Settecento era normale immaginarne solo cinque. Nel 1789 Lavoisier consolidò la propria teoria dell’ossigeno pubblicando un testo, il Traité élémentaire de chimie, nel quale si definiva elemento qualsiasi sostanza che non potesse essere divisa in componenti più semplici per mezzo di reazioni chimiche. E ne elencava non meno di trentatré. Sarebbe stata la fisica ottocentesca a mostrare che alcuni di questi erano sbagliati (la luce, il calorico). Altri invece erano composti che i chimici non erano ancora riusciti a scindere nei loro elementi. Ma il messaggio era chiaro: non esiste un sistema “semplice” di elementi. Nel mondo c’è un gran numero di elementi e spettava ai chimici trovarli.
Segni di vita
Di recente, gli scienziati hanno avvistato un pianeta esterno al sistema solare. Questo primo pianeta “extrasolare” è stato scoperto nel 1996, grazie all’oscillazione che trasmette alla sua stella madre mentre gira in orbita. Ma nel 1999 gli astronomi riuscirono a individuare la luce riflessa da tale pianeta. Era azzurrina.
Purtroppo, ciò non significa che il pianeta sia come la Terra; l’azzurrino probabilmente è dovuto ad altri gas presenti nella sua atmosfera. E se invece un giorno gli scienziati trovassero un pianeta, la cui luce riflessa contenesse l’eloquente impronta digitale dell’ossigeno, come nel caso della nostra Terra? Allora diventerebbe difficile concludere qualcosa di diverso dal fatto che quel pianeta ospita la vita.
Sembra una deduzione eccessiva: perché l’ossigeno implica la vita? Fino agli anni Sessanta del secolo scorso, gli scienziati tendevano a credere che l’atmosfera terrestre, ricca di ossigeno – si parla di circa un quinto di ossigeno e quattro quinti di azoto – fosse qualcosa di “dato”, il risultato di processi geologici avvenuti quando la Terra era agli albori; secondo questo scenario, un pianeta con una cappa di ossigeno potrebbe supportare la vita, ma non necessariamente è così.
Ora vediamo le cose in modo diverso. La composizione chimica dell’aria non è un prerequisito indispensabile alla vita, ma una sua conseguenza. Circa 2 miliardi di anni fa i primitivi organismi viventi arricchirono di ossigeno l’atmosfera, che ne era priva.
Non si conosce alcun processo geologico in grado di mantenere un alto livello di ossigeno nell’atmosfera terrestre. Alla fine il gas reagirà con le rocce e verrà racchiuso nel terreno. Solo i processi biologici riescono a “staccare” l’ossigeno combinatosi con altri elementi e a restituirlo al cielo. Se tutta la vita sulla Terra fosse prossima alla fine, il livello di ossigeno diminuirebbe gradualmente fino a essere irrisorio. Per questa ragione un’atmosfera ricca di ossigeno segnala la presenza della vita sotto di sé.
Tutti gli animali fanno affidamento sull’ossigeno, ma non dobbiamo stupirci che certi organismi ne facciano a meno. Molti batteri sono anaerobici: non consumano ossigeno, anzi gli sono avversi. Questi organismi prosperano nella fanghiglia dei fondali marini e delle paludi, nei profondi bacini petroliferi e in molti altri luoghi in cui non penetra aria.
Quando la vita ebbe inizio, più di 3,8 miliardi di anni fa, le prime cellule erano anaerobiche. L’atmosfera probabilmente consisteva in una miscela di azoto e gas quali monossido di carbonio e vapore acqueo, o forse metano. Come ogni altro organismo, questi primitivi batteri avevano bisogno di una fonte di energia per espletare i loro processi biochimici e alcuni ricercatori ipotizzano che possano averla trovata dapprima nel calore e nell’energia chimica dei vulcani sottomarini.
Ma c’è un’altra fonte energetica, più diffusa e abbondante: la luce solare. A un certo stadio dell’evoluzione, la vita scoprì come sfruttare i raggi solari attraverso la fotosintesi. Questa energia luminosa viene usata per scomporre il biossido di carbonio e sintetizzare le molecole (a base di carbonio) della vita. Un sottoprodotto delle reazioni di fotosintesi della maggior parte degli organismi è l’ossigeno. Per milioni di anni questo gas è stato assorbito da altre sostanze, come il ferro dissolto nei mari. Ma alla fine questi “magazzini di ossigeno” furono tutti pieni e l’ossigeno cominciò ad accumularsi nell’atmosfera.
Per noi è stata una fortuna, ma per le cellule fotosintetiche fu il peggior caso di inquinamento globale che il mondo avesse mai visto: per loro l’ossigeno era puro veleno. Viene percepito come un elemento amico, ma in realtà è uno dei più corrosivi e distruttivi; pochi altri elementi eguagliano la sua tendenza a scatenare reazioni chimiche.
Dopotutto, basta una sola scintilla a spingere un’intera foresta a reagire con l’ossigeno. Nel 1998-1999, la conseguenza fu una nube di fumo che ricoprì l’Indonesia e alterò il clima locale. Esistono prove geologiche di indomabili incendi globali, nel remoto passato, che fanno sembrare quest’ultimo un falò.
San Matteo ci avverte di non accumulare tesori su questa Terra, dove “tignola e ruggine consumano”: infatti fino a poco tempo fa non c’era modo di proteggere il ferro e l’acciaio dall’ossigeno, o meglio dal suo desiderio di combinarsi. I vecchi dipinti diventano marroni a causa della sua azione sui colori e la maggioranza dei metalli, se esposta all’aria, sviluppa una scorza di ossido nel giro di alcuni secondi.
La natura, comunque, sa il fatto suo. Se l’aria è impregnata di veleno, imparerà a vivere di veleno. Respiriamo ossigeno non perché sia intrinsecamente adatto a noi, ma perché abbiamo sviluppato dei modi per renderlo meno nocivo. Gli enzimi annientano i composti letali che si formano quando l’ossigeno viene usato per bruciare gli zuccheri nelle fabbriche energetiche delle nostre cellule.
Questi composti includono il perossido di idrogeno, usato come candeggiante domestico e industriale, e persino il più distruttivo superossido, un radicale libero. Queste sostanze danneggiano le delicate biomolecole delle nostre cellule, DNA compreso. Le cellule hanno meccanismi molecolari che tentano di riparare il danno, ma il suo inevitabile accumulo è un importante fattore del processo di invecchiamento.
Quindi non c’è nulla di ottimale o ideale nel vivere su un pianeta ricco di ossigeno; semplicemente le cose sono andate così. Dopotutto, l’ossigeno è un elemento estremamente abbondante: il terzo elemento più abbondante dell’universo e il più abbondante in assoluto (47% del totale) sulla crosta terrestre. D’altra parte, il mondo vivente (la biosfera) ha trovato il modo di mantenere la percentuale di ossigeno nell’atmosfera a un livello più o meno perfetto per gli organismi aerobici (cioè che respirano ossigeno) come noi. Se nell’aria ci fosse meno del 17% di ossigeno, moriremmo asfissiati. Se ce ne fosse più del 25%, tutta la materia organica sarebbe altamente infiammabile: brucerebbe alla minima scintilla e gli incendi sarebbero incontrollabili. Si pensa che in passato una concentrazione del 35% di ossigeno sia bastata a distruggere in incendi globali la maggior parte della vita sulla Terra. (È per questo motivo che la NASA è passata a usare aria normale invece di puro ossigeno nelle sue astronavi, dopo la tragica e fatale conflagrazione avvenuta durante i test del primo Apollo nel 1967.)
Questa costanza nella concentrazione di ossigeno atmosferico rafforza l’ipotesi che i sistemi biologici e geologici terrestri contribuiscano a plasmare l’ambiente e l’atmosfera così da renderli adatti alla vita: è la cosiddetta ipotesi Gaia. Da quando l’aria è diventata ricca di ossigeno, i livelli di ossigeno hanno fluttuato, ma non di molto. Inoltre, la percentuale odierna di ossigeno atmosferico è alta abbastanza da supportare la formazione di uno strato di ozono nella stratosfera, che protegge la vita dai nocivi raggi ultravioletti provenienti dal Sole. L’ozono è una forma di ossigeno puro in grado di assorbire i raggi UV; i suoi atomi non si legano a coppie, come nel gas ossigeno, ma a tre a tre.
Come mai l’ossigeno atmosferico si mantiene a un livello tanto stabile? Come abbiamo visto, viene creato durante la fotosintesi, quando gli organismi separano l’ossigeno dalle molecole d’acqua. Tra gli organismi fotosintetici vi sono le piante e molte specie di batteri. L’ossigeno viene invece consumato dagli animali e da altri organismi aerobici. Verrebbe da pensare che questo livello stabile di ossigeno sia dovuto a un equilibrio tra quei produttori e questi consumatori della biosfera. Ma c’è dell’altro. L’oceano è una specie di baluardo contro grandi variazioni nell’ossigeno atmosferico, poiché la decomposizione di materia organica marina (che rimuove l’ossigeno dall’aria) rallenta se i livelli di ossigeno precipitano.
L’ossigeno è uno dei tanti elementi vitali che vengono consumati e riciclati continuamente per mezzo di processi che coinvolgono la biosfera, le rocce e i vulcani terrestri e gli oceani. Si tratta di cicli biogeochimici collegati tra loro: i mutamenti nel ciclo di ossigeno, carbonio, azoto e fosforo sono interdipendenti. Queste ruote di un unico ingranaggio creano sul nostro pianeta un ambiente più o meno costante. Se una delle ruote accelera o rallenta – magari a causa di pratiche industriali o agricole che pompano nell’atmosfera gas ricchi di carbonio – ciò si può ripercuotere su tutto l’ingranaggio e in modi difficili da prevedere. Ecco perché c’è così tanta incertezza circa l’evoluzione del cambiamento climatico globale causato dalle attività umane.
Siccome le ruote biogeochimiche sono in continuo movimento, la chimica sulla Terra non è in equilibrio. Quando un processo chimico raggiunge l’equilibrio, non vi sono più cambiamenti. La costanza chimica dell’ambiente terrestre è dovuta non all’inattività, ma a un mutamento perpetuo. È come se una persona restasse su un punto non stando immobile, ma correndo dentro a una ruota.
Il disequilibrio dell’ambiente terrestre implica processi inorganici nel mare e nelle rocce, ma in definitiva è dovuto alla biosfera, alla vita. Gli ingranaggi sono tenuti in movimento grazie soprattutto all’energia solare catturata dagli organismi fotosintetici. Se la vita cessasse, il pianeta raggiungerebbe gradualmente un equilibrio statico che sarebbe molto diverso dall’ambiente attuale.
Possiamo vedere tutto ciò guardando le atmosfere dei pianeti a noi vicini. Venere e Marte hanno una dimensione simile a quella della Terra e si formarono da una miscela non molto diversa di elementi. Ma attualmente i loro cieli contengono solo una minuscola quantità di ossigeno – inferiore all’1% – e una piccola quantità di azoto. Le loro atmosfere sono composte per il 95% da biossido di carbonio, ma quella di Marte è sottile mentre quella di Venere è molto spessa.
Su Venere questa densa cappa di gas serra comporta temperature superficiali intorno ai 750 °C; su Marte quel manto sottile mantiene tutto a -50 °C circa. In entrambi i casi, l’assenza di ossigeno e la vicinanza all’equilibrio della miscela di gas atmosferici ci dice che in quei mondi non c’è alcuna vita da scoprire.
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