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Il ritorno all'atomismo e l'ascesa della chimica moderna
Nel 1808, John Dalton (1766–1844) ha pubblicato il suo libro intitolato «Un nuovo sistema di filosofia chimica» – un'opera che ha segnato la nascita della chimica moderna. Nelle sue teorie, Dalton ha ripreso la concezione dell'atomismo di Democrito. Ha postulato che gli atomi fossero i costituenti più piccoli della materia e che non potevano essere ulteriormente divisi, né creati o distrutti nelle reazioni chimiche. Secondo Dalton, tutti gli atomi dello stesso elemento sono identici, ma differiscono dagli atomi di altri elementi. Nelle reazioni chimiche, gli atomi si combinano per formare composti, sono separati l'uno dall'altro o sono riorganizzati rispetto ad altri atomi. Poiché gli atomi sono indivisibili secondo questo modello, e quindi solo atomi interi possono reagire tra loro, Dalton ha concluso che gli elementi in un composto sono sempre presenti in rapporti di numeri interi.
Nella sua teoria atomica, Dalton ha formulato molte ipotesi che sono state fondamentali per la nostra comprensione della chimica fino ai giorni nostri. Alcune delle premesse della sua teoria non sono ancora conclusive. Ad esempio, Dalton credeva che un atomo di un elemento reagisse solo con esattamente un atomo di un altro elemento. Ha deviato da questa ipotesi solo nei casi in cui osservazioni sperimentali lo rendessero assolutamente necessario. Ad esempio, ha quindi teorizzato che la composizione dell'acqua fosse HO, il che significa che ha commesso errori successivi, in particolare durante la determinazione delle masse atomiche relative.
Tuttavia, la sua teoria atomica mise saldamente la chimica sulla strada giusta. Da questo momento in poi, le scoperte scientifiche in chimica divennero molto più frequenti.
Dal volume dei gas alle masse atomiche e molecolari
Nello stesso anno, Joseph Louis Gay-Lussac (1778–1850) stabilì che il rapporto in volume dei gas che reagiscono tra loro e dei loro prodotti di reazione è sempre un numero intero. Ad esempio, Gay-Lussac ha scoperto che due volumi di idrogeno e un volume di ossigeno avrebbero reagito per formare acqua (H2O), e che quest'acqua gassosa occuperebbe a sua volta due volumi.
Nel 1811, Amedeo Avogadro (1776–1856) ha quindi formulato l'ipotesi che volumi uguali di gas contengano un numero uguale di particelle, indipendentemente dalla sostanza in questione. L'ipotesi di Avogadro, tuttavia, non era ancora ampiamente accettata.
Fu solo nel 1860 che il suo allievo Stanislao Cannizzaro (1826–1910) riuscì a convincere la comunità scientifica della sua validità, dopodiché l'ipotesi divenne nota come « Legge di Avogadro ». Ciò ha permesso di determinare le masse molari di numerosi atomi e molecole, aprendo così la strada al progresso della chimica.
Gay-Lussac fu testimone non solo della rivoluzione chimica, ma anche della Rivoluzione francese, che imperversò durante la sua giovinezza nel suo paese d'origine. Suo padre, un ricco avvocato e pubblico ministero, fu imprigionato e il suo tutore fuggì. Il chimico francese Antoine Laurent de Lavoisier (1743–1794), che alla fine del XVIII secolo sviluppò la prima nomenclatura sistematica e una terminologia standardizzata per la chimica, fu ghigliottinato.
Gay-Lussac, tuttavia, ha beneficiato del nuovo ordine quando è stato selezionato per frequentare l'École Polytechnique, un'istituzione della Rivoluzione. Lì, i suoi mentori includevano scienziati di alto calibro come il matematico Pierre Simon de Laplace.
L'industria chimica ha preceduto la rivoluzione chimica
Il tardo sviluppo della teoria atomica da parte di Dalton potrebbe suggerire che un'industria chimica potrebbe realizzarsi solo nel XIX e XX secolo. Al contrario, i processi chimici erano già stati utilizzati su scala industriale dalla metà del 18° secolo. Nonostante all'epoca non ci fosse molto in termini di comprensione teorica della chimica, le scoperte sperimentali degli alchimisti resero possibili numerose applicazioni pratiche, sia nella produzione che nell'analisi di sostanze chimiche. Lo sviluppo sistematico e l'ottimizzazione dei processi, soprattutto per l'industria, era tuttavia impossibile a causa di questa mancanza di conoscenze di base. Di conseguenza, le fabbriche chimiche del 18° secolo assomigliavano piuttosto a laboratori ingranditi rispetto alle fabbriche che conosciamo oggi.
Il primo processo chimico che è stato applicato su scala industriale è stato il processo della camera di piombo per la produzione di acido solforico. Il processo era noto fin dal Medioevo ed era stato applicato su larga scala in Inghilterra dal 1746. Un altro processo importante dalla fine del 18° secolo in poi fu il Processo Leblanc per la produzione di carbonato di sodio (carbonato di sodio), necessario nell'industria tessile per lo sbiancamento della biancheria e utilizzato anche nell'industria del sapone, del vetro e della carta. Nicolas Leblanc (1742–1806) sviluppò il processo nel 1791 in un concorso indetto dall'Accademia delle scienze francese, che era alla disperata ricerca di questo tipo di processo per ottenere l'indipendenza dalle costose importazioni di soda naturale. Il processo Leblanc divenne il metodo d'elezione per la produzione di carbonato di sodio, fino a quando il Processo di risoluzione non fu pronto per la produzione in serie nel 1880. Tuttavia, Leblanc non ha mai ricevuto il suo premio in denaro. Quando fu risarcito, la nazione era alle prese con la Rivoluzione e l'Accademia fu abolita dalla Convenzione nazionale francese.
La soda e l'acido solforico sono ancora tra i prodotti più importanti dell'industria chimica.
L'analisi nella nascente industria chimica
Oltre alla soda e all'acido solforico, i prodotti più importanti dell'industria chimica nel XVIII secolo erano l'acido cloridrico per la produzione di cloro e l'acqua clorata. Tutti questi prodotti erano necessari ad altri settori. Ad esempio, una delle applicazioni della soda era nella produzione di sapone, mentre il cloro veniva utilizzato per sbiancare i tessuti. Poiché la purezza delle sostanze chimiche era fondamentale nelle industrie di trasformazione, presto svilupparono metodi per il controllo della qualità. Sono stati sviluppati metodi volumetrici per consentire prove rapide e qualitative delle materie prime: alla sostanza chimica viene aggiunto un reagente, noto per reagire con la sostanza da determinare. L'endpoint della reazione è reso visibile utilizzando un metodo appropriato. Nella fase finale viene determinata la quantità di reagente consumata. Se è stata consumata una quantità di reagente confermata empiricamente, la sostanza chimica viene considerata idonea. Tuttavia, non erano ancora possibili determinazioni quantitative con questo precursore rudimentale della titolazione.
Entro la fine del 18° secolo, in letteratura furono descritte titolazioni acido-base, titolazioni per precipitazione e titolazioni redox. All'inizio del XIX secolo, Joseph Louis Gay-Lussac, che è spesso considerato l'inventore della titolazione, sviluppò nuovi metodi di analisi titrimetrica e rese la titolazione più facile, veloce e precisa. Gli sviluppi raggiunti nel campo della titolazione sono stati quasi invariabilmente realizzati in Francia, dove la maggior parte degli scienziati è stata impiegata dallo stato dopo la Rivoluzione e aveva il compito di risolvere problemi industriali rilevanti per la nazione. Una sintesi di scienza e industria, come aveva dimostrato la Francia, sarebbe presto seguita in tutto il resto d'Europa.
Il rapido sviluppo della chimica moderna continuò nel XIX secolo: nacque la chimica organica che aprì le porte alla chimica non solo per l'emulazione, ma per la manipolazione diretta della natura, ad esempio utilizzando medicinali e fertilizzanti.
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