Il concetto di materia nell’atomismo antico

Giovanni Villani

Istituto di Chimica dei Composti Organometallici del CNR

Area della Ricerca di Pisa

Coordinatore Gruppo Interdivisionale SCI

“Epistemologia e Storia della Chimica”

giovanni.villani@cnr.it

Giornate EpiSto della Chimica 2025

Online, 9 Gennaio 2025

Introduzione su Epistemologia e Storia

• Che cosa significa “epistemologia”
• Aspetti epistemologici della scienza
• Storia della scienza
• Perché nei corsi universitari/scolastici si parla poco degli aspetti storico/epistemologici
• Perché nei corsi universitari/scolastici sarebbe importante parlare di più degli aspetti storico/epistemologici

• In ambito scientifico esiste un rifiuto della propria storia e delle proprie radici filosofiche.
• In generale, si ritiene che l’ambito storico non serva al ricercatore attivo in ambito scientifico. Egli si deve occupare solo delle problematiche attuali e “non perdere tempo” con idee superate.
• Si ritiene che l’approccio storico, forse, potrebbero essere “utile” nell’insegnamento scientifico, ed in particolare nella Scuola Secondaria, se i “tanti concetti disciplinari da insegnare” riuscissero a lasciare a queste considerazioni uno “spezzone” di tempo. La frase più “gettonata” è, infatti, “è difficile aggiungere un approccio storico nello studio della scienza perché il tempo a disposizione per insegnare queste discipline è ridotto”.
• Qualche insegnante è disposto a concedere del tempo alle problematiche storiche nell’insegnamento scolastico delle scienze, ma solo con lo scopo di “motivare” gli studenti, raccontando loro qualche “fatterello curioso” relativo agli scienziati e alle loro scoperte scientifiche.

• Tale “avversione” alla storia della propria disciplina può apparire “strana” a prima vista, ma in realtà è sorretta da una visione filosofica generale e da una conseguente idea di che cosa sia la scienza.
• In ambito filosofico, questa visione viene chiamata “ingenuamente realista”. Essa si basa sull’idea che lo scienziato non è, e non deve essere, “creativo”, ma deve solo trovare e riportare dei “fatti” oggettivi, delle verità sperimentali.
• Posta la verità scientifica in questa veste, ha poca importanza allargare il campo dei fatti sperimentali e inserirli in una cornice storica; queste “aggiunte” divengono delle “curiosità”, un’informazione in più da fornire se c’è tempo.
• La storia della scienza che si chiede quando, in che contesto e perché è stata fatta una specifica ricerca scientifica perde in questo caso un suo valore oggettivo.

Questa visione della scienza è già implicita nel termine “scoperta” scientifica.

Le verità scientifiche non sono un’invenzione (quelle, in questo ambito, le si lascia alla tecnica), ma un “portare fuori”, un “disvelare” una realtà oggettiva.

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K. R. Popper (filosofo della scienza)

M.D. Gershon (microbiologo e divulgatore scientifico)

Punti epistemologici essenziali

• Realtà degli oggetti scientifici: esperimenti e modelli
• La scienza come processo
• La scienza come attività umana
• Ricostruzioni delle situazioni problematiche e delle relative risposte
• Metodo scientifico: matematica ed esperimenti?

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Uso in didattica, ma non solo, di questi aspetti generali

Quando nasce la chimica?

Come è legata alle problematiche antiche?

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• Problemi chimici tecnologici antichi: metallurgia, colorazioni, ecc.
• Problemi chimici teorici antichi: la “materia” - atomismo vs aristotelismo
• Problemi di approccio: caratteristiche dell’alchimia e

differenze e similitudini con la chimica

• Le problematiche medievali sulla “materia” :

Aristotelismo e atomismo

i minima naturalia e confronto con l’atomismo

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Atomismo classico dei Greci

• l’atomo era la particella elementare della materia;
• gli atomi avevano diverse grandezze e diverse forme;
• gli atomi erano tutti qualitativamente identici;
• l’atomo era impenetrabile e indivisibile;
• nel processo di aggregazione, gli atomi

non perdevano la loro identità;

essi restavano in semplice contatto. Critica di Aristotele;

• le differenze qualitative tra le sostanze erano dovute alla

forma e alla dimensione degli atomi;

• i mutamenti qualitativi che si osservano nei corpi erano dovuti ai

movimenti degli atomi;

• non esisteva un piano intermedio (come quello molecolare) tra il

microscopico e macroscopico.

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La teoria atomica di Democrito era in grado di fornire una spiegazione plausibile di parecchi fenomeni fisici: essa rendeva intelligibili i mutamenti dello stato fisico e le differenze di densità tra varie sostanze, assumendo che una sostanza aveva una densità maggiore quanto minore era il numero dei piccoli vuoti esistenti tra gli atomi.

Tuttavia la visione atomica greca non era in grado di dare una risposta alla domanda perché gli atomi formavano corpi invece di vagare liberamente nello spazio; né riusciva a spiegare quelle proprietà dei corpi che più tardi furono chiamate qualità secondarie: colore, sapore, odore, suono, caldo, freddo e così via.

Qualitativo e quantitativo, proprietà primarie e proprietà secondarie.

L’atomismo classico forniva una spiegazione ad hoc della natura perché non era possibile controllare la validità delle loro spiegazioni. Consideriamo la dissoluzione del sale nell’acqua. La spiegazione degli atomisti classici era che tale effetto potesse essere prodotto dalla dispersione degli atomi di sale nel liquido. Però gli atomisti classici non potevano spiegare perché il sale si scioglie nell’acqua mentre la stessa cosa non succede per la sabbia. Potevano dire che gli atomi dell’acqua entrano negli interstizi degli atomi del sale, ma non riescono a entrare in quelli della sabbia. Tuttavia, un tale tipo di spiegazione va scartata perché non aggiunge niente alla costatazione empirica, è semplicemente un altro modo di dire che il sale si scioglie nell’acqua e la sabbia no.

Critiche all’atomismo�La materia per Aristotele

• La materia è continua e non è possibile il vuoto
• Fisica celeste e fisica sublunare
• Etere e i quattro elementi:

aria, acqua, terra e fuoco

• Le trasformazioni della materia sublunare

Secondo Aristotele vi sono due fisiche diverse: quella dei corpi sublunari (in basso) e quella dei corpi celesti (in alto).

I corpi sublunari sono composti dei quattro elementi, da Empedocle in poi divenuti tradizionali: acqua, aria, terra e fuoco, generati a loro volta dal combinarsi in coppie delle quattro qualità fondamentali: caldo, freddo, umido, secco.

• caldo-umido: aria (luogo naturale in alto);
• caldo-secco: fuoco (luogo naturale in alto);
• freddo-umido: acqua (luogo naturale in basso);
• freddo-secco: terra (luogo naturale in basso).

Riscaldandosi e raffreddandosi, questi elementi vanno soggetti ad alterazione, trasformandosi gli uni negli altri per lo scambio di una, o più difficilmente, di tutte e due le qualità. Per esempio lo scambio tra il freddo ed il caldo porta allo trasformazione dell’acqua in aria.

Tutti i corpi sublunari sono costituiti da mescolanze, secondo proporzioni diverse, dei quattro elementi, dei quali quello predominante determina il luogo naturale, e il moto verso di esso, del corpo composto. Queste mescolanze non sono mai del tutto stabili, ma vanno soggette a corruzione e disfacimento. Per effetto della corruzione, le parti eterogenee che si liberano tornano al loro luogo naturale, in alto le leggere, in basso le pesanti, ma nell’attraversare le regioni intermedie incorporano altre parti eterogenee, dando così luogo a nuovi composti, anch’essi soggetti a successive corruzioni.

I corpi celesti, essendo formati di quinta essenza o etere, sono rotondi, puri e incorruttibili. Essi restano immobili nel loro luogo naturale e, quindi, non sono capaci di altro moto che della rotazione circolare e uniforme.

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La contrapposizione tra Aristotele e l’ipotesi atomica sulla materia era incentrata principalmente su due problemi.

1) L’idea che gli atomisti avevano nei confronti dei corpi composti. Come abbiamo visto, gli atomisti non giunsero mai all’idea che si potesse formare qualcosa di realmente nuovo mettendo insieme vari atomi. Da questo punto di vista loro negano l’individualità delle sostanze composte.

Aristotele era su questo punto più consono con la visione chimica moderna: i costituenti nel formare i composti danno vita a sostanze nuove e non a semplici giustapposizioni di elementi preesistenti.

2) L’esistenza del vuoto era una parte essenziale dell’atomismo che era una visione dualistica atomo-vuoto. Esso serviva a rendere possibile il movimento degli atomi, e quindi, a permettere agli atomi di aggregarsi e di allontanarsi portando alla generazione e alla corruzione di tutte le cose.

Aristotele era convinto invece che il movimento nel vuoto fosse impossibile. Per tale filosofo, poiché nel vuoto non c’era nessun luogo naturale, le sostanze non potessero muovere di moto naturale perché non avevano una direzione privilegiata verso cui muoversi.

Fine dall’antichità greco-romana e Medio Evo

• Frantumazione del mondo e della cultura
• Difficoltà di comunicazione: lingua e strade
• Cristianesimo e problematiche culturali/religiose
• Ruolo di preservazione dell’antichità culturale svolto dai monasteri e dagli Arabi
• Arte e Tecnica
• Rinascimento
• La nascita della scienza moderna: rivoluzione scientifica

Aristotelismo medioevale: i minima naturalia

La teoria dei minima naturalia è attribuita ad Aristotele. In realtà i commentatori di Aristotele svilupparono un’idea enunciata da lui in un contesto più limitato.

In questa teoria ogni sostanza ha i suoi propri minima quantitativi che la caratterizzano:

quando un corpo formato da una sostanza viene diviso in parti sempre più piccole, se si oltrepassa il limite posto dai minima naturalia, la sostanza cessa di esistere.

Essi sostenevano che la prima cosa ad esistere quando veniva generata una sostanza e l’ultima cosa ad andare perduta quando essa periva era il suo minimum. Essi assumevano che i processi chimici avevano luogo tra i minima stessi.

In pratica, per dare vita ad una nuova sostanza occorreva che le sostanze reagenti si scomponessero nei loro minima naturalia e i loro minima interagissero, agendo gli uni sugli altri.

Differenza tra gli atomi e i minima naturalia

• I minima naturalia di sostanze differenti sono qualitativamente differenti gli uni dagli altri; essi hanno semplicemente le proprietà che si possono osservare nei corpi macroscopici costituiti da questa sostanza, mentre gli atomi democritei differiscono fra loro esclusivamente nelle caratteristiche quantitative.
• I minima naturalia di ogni sostanza hanno una dimensione caratteristica; in Democrito gli atomi esistono in tutte le dimensioni possibili, al di sotto del limite di visibilità.
• Non viene fatta nessuna ipotesi per quanto concerne la forma geometrica dei minima, mentre per gli atomi la forma assolve ad una funzione importante.
• Per entrambe, i processi chimici hanno luogo fra le piccole particelle in cui si scompongono le sostanze reagenti. Nella concezione atomica, la reazione consiste in una modificazione del modo in cui le particelle sono disposte le une rispetto alle altre. Nelle concezioni aristoteliche, i differenti minima agiscono gli uni sugli altri. Solo così può nascere un nuovo composto.

Attualità di queste problematiche �e conclusioni

1. L’atomo: continuità e discontinuità della materia
2. Atomo antico e l’atomo moderno.
3. Gli aggregati di atomi: la molecola e l’atomo nella molecola.
4. Il corpo misto: differenza tra composto chimico e miscuglio.
5. Proprietà microscopiche degli atomi e proprietà della molecola.
6. Proprietà macroscopiche dei costituenti e proprietà dei composti.