Chimica
La chimica è la scienza della
natura che studia la composizione, la struttura e le proprietà delle sostanze,
ed anche le trasformazioni che queste sostanze subiscono.
Poiché lo studio della chimica
abbraccia l'intero universo materiale, esso occupa una posizione fondamentale
per la comprensione delle altre scienze.
Come frutto di secoli di osservazioni e misure sui vari elementi e composti
(v. chimica, storia della) si è giunti alla formulazione di una teoria chimica
di base. Secondo questa teoria la materia è costituita da particelle
microscopiche dette atomi. I più di cento tipi diversi di atomi che si
conoscono prendono il nome di elementi
chimici. Gli atomi dello stesso elemento, o di elementi differenti, si
possono combinare insieme per formare le molecole e i composti (vedi composto
chimico). Gli atomi sono tenuti insieme da forze, soprattutto di natura
elettrostatica, indicate con il nome di legami
chimici (vedi legame chimico). In una reazione chimica due o più molecole
possono subire varie modificazioni in modo da formare molecole differenti
attraverso la rottura e la costituzione di legami chimici (vedi reazioni
chimiche).
Tradizionalmente si ricorre a sottodivisioni per classificare i vari aspetti
delle scienze chimiche.
La chimica organica in
origine si limitava a studiare i composti che si ottengono dagli organismi
viventi, ma attualmente sono oggetto di studio anche gli idrocarburi (composti
di carbonio e idrogeno) e i loro derivati.
La chimica inorganica tratta
dei composti che derivano da tutti gli elementi, con l'esclusione di quelli
della chimica organica.
La biochimica è la branca
che si occupa dei composti e delle reazioni chimiche riguardanti i processi che
avvengono nei sistemi viventi.
La chimica fisica studia la
struttura della materia e le variazioni energetiche che si verificano nel corso
delle trasformazioni chimiche e fisiche. Questo settore fornisce le basi
teoriche per trattare i fenomeni osservati negli altri campi della
chimica.
La chimica analitica si
interessa della identificazione delle sostanze chimiche, della determinazione
della quantità delle varie specie presenti in un miscuglio e della separazione
dei miscugli nei loro singoli componenti.
Attualmente hanno acquistato una precisa individualità anche particolari
settori della chimica che si occupano di argomenti interdisciplinari, al confine
tra la chimica e altre scienze della natura. Ad esempio, recenti ricerche hanno
avuto per oggetto l'origine chimica della vita, cioè le reazioni tra molecole
semplici a bassa pressione che danno luogo a molecole organiche complesse, come
le proteine, che si trovano negli organismi viventi.
L'astrochimica è la scienza
interdisciplinare che studia l'origine e l'interazione dei costituenti chimici,
in particolare la materia interstellare, nell'universo.
La geochimica si occupa degli
aspetti chimici della geologia (ad es., dei miglioramenti nel trattamento dei
minerali, dell'utilizzazione del carbone, del recupero del petrolio dagli
scisti) e dell'impiego di prodotti chimici per estrarre petrolio da pozzi che,
rispetto agli standard abituali, sono da considerare esauriti.
La chimica nucleare studia le
trasformazioni naturali e indotte del nucleo atomico. Le ricerche in questo
campo sono centrate attualmente sull'impiego dell'energia nucleare in condizioni
di sicurezza e con sempre migliori rendimenti, e sullo smaltimento delle scorie
radioattive.
La radiochimica si interessa
degli isotopi radioattivi degli elementi chimici e della utilizzazione di questi
isotopi per migliorare la comprensione dei sistemi chimici e biochimici.
La chimica dell'ambiente è
un campo che ha per oggetto di indagine l'influenza di vari elementi e composti
sulla biosfera.
La chimica è soprattutto una scienza sperimentale e le misure chimiche
richiedono abitualmente l'attrezzatura di un laboratorio ben organizzato. Per
misure di massa si impiegano bilance, pipette e burette per misurare volumi e
termometri per determinare le variazioni di temperatura. I progressi fatti nel
campo dell'elettronica e nella tecnologia dei computer hanno permesso la
realizzazione di strumenti in grado di determinare le proprietà chimiche, la
struttura e il contenuto delle sostanze con molta maggiore precisione e
accuratezza di quanto avveniva in passato.
La maggior parte della strumentazione chimica moderna è dotata di tre
componenti fondamentali: una sorgente di energia, un contenitore per il campione
entro cui la sostanza in esame è sottoposta alla fonte di energia, e un
rivelatore, che può essere di vari tipi e che determina l'effetto che
l'interazione con l'energia ha avuto sul campione. Molto spesso la sorgente di
energia è costituita da una radiazione elettromagnetica. Un diffrattometro
a raggi X, ad esempio, permette al chimico di determinare la disposizione
spaziale degli atomi, degli ioni o delle molecole che costituiscono i cristalli
attraverso lo scattering (la diffusione) dei raggi x. La maggior parte dei
laboratori moderni è dotata di spettrofotometri
che operano nell'ultravioletto, nel visibile e nell'infrarosso, inviando fasci
di luce di diverse lunghezze d'onda su campioni liquidi o gassosi. In questo
modo il chimico può determinare la configurazione elettronica e la disposizione
degli atomi nelle molecole. Uno spettrofotometro
NMR (risonanza magnetica nucleare) sottopone il campione, immerso in un
forte campo magnetico, ad una radiofrequenza. L'assorbimento di questa energia
da parte del campione fornisce informazioni sui legami intramolecolari.
Tra gli altri apparecchi, ricordiamo lo spettrometro
di massa (v. spettrometria di massa) che usa gli elettroni, e gli
strumenti per l'analisi termica differenziale che si servono del calore.
Una classe completamente diversa di strumenti è costituita dai cromatografi,
che si servono della cromatografia per separare miscele complesse nei singoli
componenti. Inoltre, impulsi estremamente brevi di luce laser sono usati per
studiare i processi atomici e molecolari che hanno luogo nelle reazioni chimiche
in tempi dell'ordine del microsecondo. Tutti questi apparecchi, insieme con
altri non ricordati, forniscono una tale quantità di dati che si deve
frequentemente fare ricorso all'aiuto dei computer per poterli analizzare.
La chimica è in stretta relazione con i bisogni fondamentali dell'uomo: il
cibo, gli indumenti, la tutela della salute. Le applicazioni della chimica sono
di solito collegate con l'attività delle industrie che producono sostanze
chimiche. Una notevole parte dell'industria chimica è interessata alla
produzione di sostanze organiche e inorganiche, utilizzate poi da altre
industrie come reagenti per processi chimici.
La chimica dei polimeri (molecole
di grandi dimensioni costituite da unità semplici che si ripetono e sono tenute
insieme da legami chimici, v. polimerizzazione) si interessa di materie
plastiche, di resine, di gomme naturali e sintetiche, di fibre sintetiche e di
strati protettivi. A partire dalla fine degli anni Trenta questo settore ha
avuto uno sviluppo eccezionale. La produzione di gomma naturale e di sostanze
protettive (tinture, vernici, lacche e smalti) ottenute da prodotti agricoli
naturali è stata di sostegno per l'industria chimica per oltre 150 anni.
La ricerca di nuove fonti di energia e l'incremento di quelle esistenti è sotto
molti aspetti un problema che interessa i chimici (v. combustibili). Il compito
fondamentale dell'industria petrolifera è la raffinazione degli idrocarburi
greggi per ottenere la benzina e altri derivati del petrolio (v. petrolchimici,
prodotti). L'utilizzazione dell'energia nucleare dipende in notevole misura
dalla preparazione per via chimica e dalla rigenerazione del combustibile, dal
trattamento e dallo smaltimento dei residui nucleari e da problemi di corrosione
e scambio termico. La conversione e l'immagazzinamento dell'energia solare sotto
forma di energia elettrica è anzitutto un problema chimico, e la realizzazione
delle celle a combustibile è basata sia sulla tecnologia chimica che su quella
elettrochimica.
La ricerca chimica costituisce la base per la produzione di farmaci da parte
dell'industria farmaceutica. L'introduzione controllata nell'organismo umano di
particolari sostanze è di aiuto per la diagnosi, il trattamento e, spesso, la
guarigione definitiva dalle malattie. La chemioterapia
è uno dei principali mezzi di lotta contro il cancro.
A partire dal 1940 circa, si sono avuti straordinari incrementi nella produzione
agricola, principalmente in conseguenza dell'uso introdotto dagli agricoltori di
fertilizzanti e di antiparassitari (v. pesticidi). Altre industrie chimiche sono
interessate alla produzione di saponi e detergenti, a trattamenti di vario
genere cui sono sottoposti gli alimenti, e alla produzione di vetro, carta,
metalli e materiale fotografico.
Oltre alla sue aree fondamentali la chimica è anche un valido supporto per
altre attività. Ad esempio, alla chimica ricorrono i musei per i problemi di
conservazione e restauro, per la datazione delle opere d'arte e dei reperti (v.
datazione radiometrica) e per la scoperta di falsi. I chimici prestano la loro
opera anche presso i tribunali, effettuando perizie legali. I tossicologi
studiano i potenziali effetti negativi delle sostanze chimiche sui sistemi
biologici (v. tossicologia), di particolare importanza negli ambienti di lavoro
nell'industria. Infine, con l'aumento della popolazione mondiale e la crescente
rilevanza dei problemi ecologici, sta acquistando importanza il settore chimico
che si occupa dei problemi igienici e dello smaltimento dei rifiuti.
Con l'impiego della chimica e delle tecnologie ad essa collegate sono state
prodotte delle sostanze che, o fin d'ora o in tempi lunghi, possono recare danno
agli esseri umani, agli animali e all'ambiente. L'inquinamento non è un
problema nuovo, ma la concomitanza di un rapido sviluppo dell'industria chimica
e dell'impiego di sofisticati mezzi di rivelazione delle sostanze ha portato
questo problema all'attenzione del pubblico (v. ambiente, inquinamento dell').
L'eliminazione dei prodotti di rifiuto delle industrie mediante immissione di
gas nell'atmosfera e scarico nelle acque ha provocato gravi preoccupazioni per
il degradamento dell'ambiente (v. inquinamento chimico). L'esposizione
sistematica di certe categorie di lavoratori a sostanze tossiche ha causato
problemi sanitari per gli effetti nocivi a tempi lunghi (v. lavoro, malattie
del). Inoltre, l'uso di alcuni pesticidi, come il DDT, e di erbicidi, può
causare con il tempo fenomeni di tossicità, i cui effetti sono attualmente solo
noti in modo parziale. L'immagazzinamento in condizioni di sicurezza degli
agenti predisposti per l'impiego in guerre chimiche e biologiche e
l'eliminazione delle scorie radioattive continuano ad essere un serio problema.
D'altra parte il progresso nello sviluppo delle tecnologie chimiche quasi sempre
è, sotto qualche aspetto, alternativo al rispetto dell'ambiente.
Gli sviluppi futuri della chimica saranno in gran parte affidati alla
ricerca di risposte a problemi tecnologici come la creazione di nuove fonti di
energia e la eliminazione delle malattie, della fame e dell'inquinamento. Un
altro obiettivo è il miglioramento della sicurezza nell'impiego di prodotti
chimici già esistenti, come ad esempio i pesticidi. Indagini sugli aspetti
chimici di maggiore complessità dell'organismo umano possono aprire nuove
possibilità per comprendere malattie e disfunzioni. Il perfezionamento dei
processi industriali servirà a minimizzare l'impiego dell'energia e delle
materie prime, diminuendo in tal modo gli effetti
negativi sull'ambiente.
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