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Alcune riflessioni sulla didattica della chimica e sul rapporto tra chimica e società

La geopolitica della tavola periodica: un nuovo modo di insegnare la chimica?

Sono 90 gli elementi chimici naturali presenti sul nostro pianeta, e il loro sfruttamento (come la loro scarsità) ha enormi risvolti ambientali, sociali, economici e politici

[23 Luglio 2019]

di
Valentina Domenici

Le celebrazioni internazionali della “tavola periodica degli elementi”, una delle leggi della chimica – e in generale della scienza – più importanti e significative, hanno stimolato moltissime iniziative in tutto il mondo. L’Unesco ha indetto il 2019 “Anno internazionale della Tavola periodica” a distanza di 150 anni dal primo articolo del chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev, ritenuto uno dei padri della “Legge periodica degli elementi chimici”, e questo ha attirato l’attenzione su questa icona della scienza, favorendo interessanti riflessioni sul rapporto tra chimica e società.

Prima di arrivare a toccare questo tema, però, vale la pena fare una piccola digressione sulla didattica, ovvero: come viene insegnata la tavola periodica degli elementi a scuola?

Per la maggior parte delle persone che non hanno avuto occasione di approfondire le proprie conoscenze di chimica, per motivi di studio, di lavoro o per motivi personali, ma che hanno studiato chimica solo marginalmente ad un livello scolastico di base, la tavola periodica degli elementi è una tabella, piuttosto astrusa e difficile da memorizzare, che contiene una serie di simboli (i simboli usati dai chimici per indicare gli elementi: H per indicare l’idrogeno, C per indicare il carbonio, etc) e di numeri (come il numero atomico, ovvero un numero intero crescente: 1 per l’idrogeno, 12 per il carbonio…) a cui si aggiungono una serie di proprietà, altrettanto difficili da comprendere, come l’elettronegatività e l’energia di ionizzazione, ad esempio, che – si impara a scuola – seguono un andamento periodico, con una certa regolarità, muovendoci nella tavola periodica da sinistra a destra (all’interno di un periodo) e dall’alto verso il basso (all’interno di un gruppo). Benché esistano alcune proposte di attività didattiche originali e molto sperimentali, il modo tradizionale con cui si introduce questa legge fondamentale appare piuttosto dogmatico e astratto, richiamando continuamente concetti scientifici di una certa complessità, che si sono affermati e chiariti solo nel corso del XX secolo, come la configurazione elettronica, gli elettroni di valenza o il concetto di isotopo.

Esempio di Tavola periodica degli elementi chimici

Difficilmente, come sottolineato da uno dei massimi esperti della tavola periodica, il chimico e filosofo della scienza Eric Scerri, viene utilizzato un approccio storico per spiegare la legge periodica degli elementi. Ripercorrere le tappe storiche che hanno portato i chimici alla scoperta della tavola periodica (come Lavoisier, Dalton, Gay-Lussac, Avogadro, Berzelius, Cannizzaro, Odling, Meyer, Mendeleev, per citarne solo alcuni) permetterebbe di comprenderla senza dover necessariamente utilizzare i concetti della fisica moderna, ovvero senza ricorrere alla meccanica quantistica. D’altra parte, i chimici, fino alla fine del XIX secolo, sono riusciti ad organizzare le conoscenze della chimica (come la capacità di formare certi tipi di ossidi, di reagire con l’acqua o con l’ossigeno…) e gran parte delle conoscenze della fisica della materia (come il punto di fusione, la densità, il colore…) senza conoscere la struttura dell’atomo!

Una delle prime tavole periodiche pubblicate da Mendeleev

L’evoluzione della tavola periodica degli elementi, dal famoso lavoro di Mendeleev del 1869 a oggi, è stata grandiosa, affascinante, piena di colpi di scena, ed ha rappresentato, sia per i chimici che per i fisici, una sfida e uno stimolo costante, portando ad avanzamenti tecnologici che hanno modificato la vita delle persone, basti pensare ai ciclotroni e alle applicazioni mediche della chimica nucleare.

Probabilmente, come ritengono alcuni storici e filosofi della scienza, solo a partire dalla seconda metà del XX secolo l’impatto delle conoscenze scientifiche, e nel caso particolare della chimica, ha raggiunto un livello globale; è stato così radicale ed invasivo da portare alla consapevolezza, nel bene e nel male, degli strettissimi legami tra la chimica, la società e la politica. È in questo contesto che si colloca un modo nuovo di guardare alla tavola periodica degli elementi, quello proposto e suggerito dall’EuChemS (European chemical society) in occasione delle celebrazioni del 2019.

Si parla di “geopolitica della tavola degli elementi” proprio per sottolineare come per ogni elemento chimico, guardando alla storia dell’uomo fino ai giorni nostri, si possano individuare nessi significativi tra le proprietà chimiche e fisiche dell’elemento, la sua reperibilità o accessibilità sul pianeta Terra, le sue applicazioni e le ricadute di queste applicazioni sulla vita quotidiana e nella società, e infine l’economia e i rapporti tra le nazioni, ovvero la politica.

Versione in italiano della tavola periodica degli elementi dell’EuChemS

Come scrive il chimico italiano Adriano Zecchina, si può parlare di geopolitica degli elementi chimici ben prima della scoperta della legge periodica degli elementi. Basti pensare all’importanza del controllo di risorse minerarie per l’estrazione di metalli come il ferro, l’oro e l’argento fin dagli albori dell’umanità, o alle tensioni politiche e alle guerre associate al controllo e al commercio dei minerali ricchi di azoto, fondamentale sia per l’industria bellica che per l’agricoltura, a partire dal XIX secolo.

La tavola periodica degli elementi proposta dall’EuChemS, chiamata “Element scarsity”, ha un fortissimo impatto emotivo, in quanto utilizza al meglio le caratteristiche dell’infografica ed offre numerosi spunti didattici e di approfondimento. Ad eccezione di due elementi artificiali, lasciati bianchi (il promezio – Pm e il tecnezio – Tc), questa tavola periodica riporta 90 elementi chimici presenti sul pianeta Terra, quindi gli elementi naturali, tenendo conto della loro abbondanza naturale e del reale rischio di “estinzione”. In breve, l’area di ogni elemento è proporzionale, con alcune eccezioni, alla quantità di atomi di quell’elemento, in una scala logaritmica. Questa informazione, però, da sola non è sufficiente per dare un’idea di quanto realmente critico sia il consumo che oggi facciamo di quell’elemento. Ed ecco quindi il senso dei colori. Muovendoci dal verde al giallo, all’arancio fino al rosso, abbiamo immediatamente una stima della crescente criticità di queste risorse, di quanto velocemente la nostra società stia sfruttando e consumando questi elementi, con tutto ciò che questo significa in termini sociali, economici e politici. Facciamo alcuni esempi.

Il litio è un metallo alcalino (simbolo: Li, numero atomico: 3) ed è l’unico del suo gruppo (gruppo I) ad essere associato sulla tavola dell’EuChemS al colore giallo (ovvero: “disponibilità limitata, a rischio in futuro”). Il litio, infatti, è un elemento piuttosto abbondante sulla Terra, presente in natura sotto forma di sali, dei quali i più accessibili si trovano nelle miniere di laghi salati, come quelli tra la Bolivia, il Cile e l’Argentina. Il suo consumo, però, è in fortissima crescita per le sue innumerevoli applicazioni in campo tecnologico, in particolare nelle cosiddette batterie al litio.

L’elio è un altro esempio assai emblematico. Si tratta di un gas nobile (simbolo: He, numero atomico: 2), quindi sostanzialmente inerte, e, nella tavola periodica dell’EuChemS è addirittura associato al colore rosso (ovvero: “a grave rischio entro 100 anni”). La sua presenza sulla Terra è limitata ad alcuni giacimenti di gas naturale; inoltre viene prodotto dal decadimento radioattivo di elementi chimici pesanti presenti in alcuni minerali, come l’uranio e il torio. Tuttavia, questo gas è molto richiesto perché ha un ruolo fondamentale come refrigerante. Il suo esaurimento potrebbe compromettere alcune tecnologie criogeniche, ovvero che necessitano temperature molto basse, come la risonanza magnetica, importante nella diagnostica medica.

Il tantalio (simbolo: Ta, numero atomico: 73) si trova nella parte in basso della tavola periodica, nell’insieme degli elementi detti anche “metalli di transizione”. Sulla tavola dell’EuChemS, il tantalio è metà rosso e metà nero (ovvero: “proveniente da minerali in zone di conflitto”) e questo permette di entrare nel vivo della “geopolitica degli elementi” di cui abbiamo accennato sopra. Il tantalio è sostanzialmente un elemento raro in natura, presente in un minerale, la tantalite, spesso in associazione con altri minerali di metalli rari, come la columbite, ricca di tantalio e niobio. Entrambi sono elementi fondamentali per le applicazioni tecnologiche e digitali. Il tantalio, ad esempio, ha proprietà chimico-fisiche uniche che hanno permesso la miniaturizzazione dei circuiti elettrici. Non stupisce quindi l’importanza strategica di controllare le miniere di questi metalli, come testimoniato dalla cosiddetta “guerra del coltan”, che ha devastato le popolazioni del Congo. Coltan è infatti il termine usato per indicare l’associazione di minerali columbite-tantalite presente in varie zone dell’Africa.

Infine, vista l’attualità dei nostri giorni, non possiamo non parlare delle cosiddette “terre rare”, un insieme di 17 elementi chimici, alcuni con caratteristiche chimiche piuttosto simili, che comprende lo scandio (simbolo: Sc, numero atomico: 21), l’ittrio (simbolo: Y, numero atomico: 39) e la serie dei lantanidi (con numero atomico da 57 a 71). La maggior parte di questi elementi è associata nella Tavola periodica dell’EuChemS al colore verde (ovvero: “piena disponibilità”), ma questo non deve trarre in inganno! Questi elementi, infatti, si trovano in natura quasi contemporaneamente negli stessi minerali e la loro estrazione e separazione richiede tecnologie avanzate. Molti di questi elementi sono fondamentali per il funzionamento dei nostri smartphone e tablet, come evidenziato dal simbolo del cellulare presente in corrispondenza degli elementi nella tavola dell’EuChems. Tra questi l’ittrio, il neodimio, lo scandio e il disprosio sono a rischio di estinzione. L’importanza strategica di questi elementi è testimoniata dalle recenti tensioni tra Usa e Cina, che possiede circa l’80% dei depositi di minerali delle terre rare al mondo, ed ha deciso di ridurre drasticamente l’esportazione, anticipando una crisi economica e politica di grande portata.

Monumento alle “terre rare” a Damao, in Cina

Questi pochi esempi ci permettono di vedere quanti aspetti fondamentali per la nostra società siano racchiusi nella tavola periodica degli elementi e quanto una sua lettura “geopolitica” possa rappresentare una modalità alternativa di insegnare la chimica, aumentando probabilmente l’interesse verso una scienza che permea completamente la nostra vita quotidiana.

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