STORIA, STORIE E PERSONAGGI DELLA CHIMICA: ROBERT BOYLE

Uno dei più importanti personaggi che dà il via alla storia della Chimica moderna è sicuramente Robert Boyle (1627-1691).

Possiamo asserire che Boyle rappresentò il primo esponente della scuola chimica anglosassone.
Prima di descrivere le ricerche fondamentali di tale figura, andiamo a scoprire qualche nota biografica a suo riguardo.
Boyle fu l'ultimo figlio del primo conte di Cork, un ricco avventuriero inglese protestante, coinvolto nella colonizzazione inglese dell'Irlanda.
L'educazione di Boyle cominciò in primis nel Collegio inglese di Eton; dopodiché studiò privatamente presso un cappellano del padre in Irlanda.
A soli 12 anni, il ragazzino iniziò a girovagare per l'Europa.
Nel 1641, dopo aver appreso l'italiano, si recò a Venezia e l'anno successivo a Firenze.
L'anno 1642 rappresenta una data particolare per la storia della scienza: infatti, muore Galileo Galilei, colui che fornisce l'imput alla nascita della scienza moderna, basata su un metodo scientifico rigoroso e su un linguaggio quantitativo, ossia matematico.
Boyle fu fortemente suggestionato dal tragico evento, che influenzò in maniera decisiva la sua vita: da quel momento in poi, Boyle desiderò infatti dedicare la sua vita alle scienze.
Un'ulteriore svolta fondamentale nella sua esistenza accadde nel 1649, quando decise di costruirsi un laboratorio scientifico in casa, evento che segnerà l'inizio delle sue attività alla stregua di scienziato sperimentale.
L'anno seguente entrò a far parte di un circolo di intellettuali amanti della Chimica, soprattutto dal punto di vista delle applicazioni mediche, chiamato Invisible College.
Anche l'alchimista George Starkey era membro di tale gruppo; questi spinse Boyle allo studio dell'alchimia e alla lettura dei testi alchemici.
Altra data da ricordare è il 1654: durante il suddetto anno, Boyle si trasferì a Oxford per riunirsi al gruppo di filosofi naturali di John Wilkins, il quale, nel 1661, fondò la prestigiosa Royal Society. Boyle fu pertanto, prima fondatore, poi membro del consiglio e, in ultimo, decano della Royal Society.
Purtroppo, a partire dal 1689, Boyle cominciò ad avere seri problemi di salute, i quali lo costrinsero al graduale ritiro dai suoi incarichi pubblici.
2 anni dopo, le condizioni di salute si fecero critiche, tanto che il 30 dicembre il geniale Boyle esalò l'ultimo respiro; il suo corpo venne sepolto nel cimitero di St. Martin's in the Fields.
Conclusa la trattazione biografica, una domanda lecita potrebbe essere: perché è così importante la figura di Boyle in campo scientifico?
Ebbene, Boyle è stato sicuramente uno dei più importanti studiosi del comportamento dei gas. Ricordiamo che i gas sono fluidi che:

• non posseggono né forma ne volume propri;
• tendono a occupare tutto lo spazio che hanno a disposizione;
• sono altamente compressibili;
• le particelle che li compongono non sono confinate in strutture rigide, ma si urtano frequentemente.

Boyle si concentrò specialmente sull'aria, l'insieme di gas che ci circonda.
Risulta tuttavia necessario specificare che l'inglese ha potuto intraprendere i suoi studi grazie all'invenzione della pompa ad aria, progettata dal tedesco Otto von Guericke (1602-1686), celebre per l'esperimento della sfera di Madgdeburgo (per chiarimenti vi consiglio di cliccare qui).
Boyle, nel 1658, costruì, avvalendosi dell'aiuto dell'assistente Robert Hooke (sì, quello della legge sulla forza elastica e anche della scoperta delle cellule col microscopio!), una pompa ad aria più efficiente e maneggevole rispetto a quella di von Guericke.
Lo scienziato inglese, compiendo le sue ricerche inerenti all'aria, arrivò a scoprire la famosa relazione tra volume e pressione di un gas, che prenderà poi il suo nome.
Per effettuare tali esperimenti, Boyle sfruttò un tubo barometrico a mercurio, simile a quello di Torricelli, misurando con l'aiuto di Hooke il volume del gas nel tubo a pressioni sia superiori sia inferiori a quella atmosferica (pari a 1,01325 x 10⁵ Pa).
Il nuovo marchingegno e gli esperimenti sull'aria vennero presentati nel più importante contributo scientifico di Boyle, intitolato New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects (1660).
La legge di Boyle comparve invece in una seconda edizione dell'opera datata 1662.
Poi, nel 1676, alla legge venne data una formulazione più precisa e rigorosa: Edme Mariotte, confermando i dati di Boyle, specificò che la legge risulta valida solamente se la temperatura del gas è costante.
Infatti, la suddetta legge, spesso e volentieri viene indicata con la denominazione "legge isoterma".
Passiamo ora al formalismo matematico concernente tale relazione.
In simboli, essa si può esprimere come:



Essa può essere ovviamente scritta anche in questo modo:





ove:

-p₁V₁ = valori iniziali di pressione e volume;
-p₂V₂ = valori finali.

La seguente è una fantastica rappresentazione grafica della legge di Boyle:

Dobbiamo specificare una cosa: la legge di Boyle non è sempre valida.
Deve sussistere una precisa condizione affinché risulti accettabile: il gas deve essere ideale (o perfetto).
Ecco le caratteristiche fondamentali di un gas perfetto:

• le sue particelle sono puntiformi, in modo che il loro volume risulti trascurabile se confrontato a quello del gas stesso;
• le sue particelle sono così distanti fra loro che si possono considerare nulle le forze attrattive tra esse;
• le sue particelle sono perfettamente elastiche, in maniera che, urtandosi, non disperdano energia per attrito.

I gas reali non soddisfano esattamente i requisiti citati, però, la legge resta valida purché tali gas risultino sufficientemente rarefatti, ovvero poco compressi e si trovino a temperature elevate.
Inoltre, in un piano cartesiano, con il volume sull'asse delle ascisse e la pressione sull'asse delle ordinate (piano di Clapeyron), il luogo dei punti che designano gli stati di equilibrio di un gas, a una temperatura fissata, è dato da un ramo di iperbole.
Infatti, la formula di Boyle scritta sopra è l'equazione di una iperbole equilatera nelle coordinate p,V.
Per ogni temperatura si ha una diversa iperbole e le curve ottenute in tal modo vengono dette isoterme del gas ideale.

Ora, differenziamo la legge di Boyle pV = cost, sfruttando la regola di Leibniz relativa alla derivata del prodotto di 2 funzioni, ottenendo: pdV + Vdp = 0.
Riscrivendo tutto in un'altra forma, abbiamo che:





Tale manipolazione della legge di Boyle ci permette di comprendere un fenomeno detto compressione uniforme in condizioni isoterme.
Immaginate, ad esempio, un cubo immerso in un fluido, a temperatura costante. Su tutte le facce del cubo agiranno identiche forze di pressione (ecco perché l'appellativo "compressione uniforme").
La legge che fornisce la variazione di volume del corpo immerso nel fluido, causata dalla pressione, è:





dove Δp e ΔV sono rispettivamente le variazioni di pressione e di volume, mentre β viene detto modulo di compressibilità isoterma, misurato in N/m².
Per studiare tale relazione nel caso dei gas, possiamo sfruttare la forma differenziale della legge di Boyle, in modo da scrivere la precedente relazione come:

Ergo, il coefficiente di compressibilità isoterma per un gas è uguale alla pressione stessa!
Quella appena descritta era un'applicazione poco nota della legge di Boyle.
La formula di Boyle, inoltre, fusa assieme alle 2 leggi di Gay-Lussac, determina la celebre equazione di stato dei gas perfetti:




ove:

• p = pressione del gas considerato;
• V = volume occupato dal gas;
• T = temperatura del gas;
• R = costante universale dei gas, pari a

• n = numero di moli della massa di gas.

Giacché




Allora possiamo riscrivere la legge generale dei gas perfetti come:





Come ciliegina sulla torta, ecco un singolare episodio che meravigliò persino Robert Boyle!
Il 15 settembre 1677, davanti alla Royal Society, il tedesco Johann Kraft sparse briciole di fosforo sul tappeto del salone, tenuto rigorosamente al buio: i presenti, tra cui lo stesso Boyle, rimasero di stucco dinanzi ai puntini sul tappeto, i quali emettevano una luce bluastra, senza alcun rilascio di calore!
D'altronde, il termine stesso "fosforo" significa "portatore di luce".
In conclusione, visto che si è parlato degli studi di Boyle sull'aria, una splendida interpretazione dell'aria sulla quarta corda di Bach, eseguita dalla violinista Anne Akiko Meyers:



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Il presente articolo è stato pubblicato anche sul sito ufficiale del Carnevale della Chimica e partecipa alla 17° edizione del Carnevale, che sarà ospitata, proprio qui su Scienza e Musica, il 23 maggio, avente come tematica "Storia, storie e personaggi della Chimica.