Louis Pasteur ricordava che la sorte tende a premiare chi è in grado di cogliere l’imprevisto. La storia della ricerca scientifica è costellata di scoperte nate dall’attenzione verso eventi non pianificati, trasformati in conoscenza grazie a una mente preparata. L’impiego della radiazione luminosa, in particolare nelle componenti ultraviolette, per trattare l’ittero neonatale è un caso emblematico: l’ittero è dovuto all’accumulo di bilirubina, un pigmento biliare derivante dalla degradazione dell’emoglobina. Nel neonato, la funzionalità epatica ancora immatura ne limita l’eliminazione; il conseguente aumento della bilirubina nel sangue può provocare lesioni neurologiche severe. Un’osservazione empirica maturata in Inghilterra da parte di un’infermiera — la regressione dell’ittero in lattanti esposti alla luce solare — stimolò indagini sperimentali che mostrarono come la radiazione UV induca trasformazioni fotochimiche della bilirubina in specie più solubili ed eliminabili. Da allora, la fototerapia è divenuta una pratica clinica consolidata.

Questo esempio chiarisce il nesso tra osservazione, formulazione di ipotesi e verifica sperimentale: la spina dorsale del metodo scientifico. Altrettanto centrali sono la misura accurata delle proprietà della materia, la registrazione rigorosa dei dati e la loro comunicazione in modo trasparente. Precisione e accuratezza vanno sempre valutate, scegliendo il numero adeguato di cifre significative e le unità di misura più appropriate, affinché altri possano interpretare e confrontare risultati sperimentali in modo affidabile.

La chimica indaga la materia, le sue proprietà, le trasformazioni fisiche e chimiche e le variazioni energetiche che le accompagnano. Per materia si intende qualunque entità dotata di massa e volume; energia è la capacità di compiere lavoro o trasferire calore. Ogni trasformazione della materia implica uno scambio di energia, in guadagno o in perdita. La disciplina, dunque, si concentra sull’intreccio tra materia ed energia e sulle leggi che governano la loro reciproca influenza.

L’ampiezza della chimica abbraccia scale e fenomeni molto diversi, dall’architettura elettronica degli atomi alle interazioni tra macromolecole biologiche. Alcuni ambiti tradizionali includono:

La biochimica studia i processi della vita a livello molecolare — dal metabolismo alla divisione cellulare, dalla regolazione genica alla respirazione — chiarendo come specifiche strutture chimiche determinino funzioni biologiche; la chimica organica si occupa dei composti del carbonio, in particolare quelli contenenti legami C–H, sviluppando metodi di sintesi per materiali e molecole funzionali come polimeri, farmaci, coloranti e solventi; la chimica inorganica esplora elementi e composti non organici, progettando materiali con proprietà mirate, ad esempio semiconduttori, catalizzatori o ceramici refrattari per applicazioni estreme; la chimica analitica elabora strategie e strumenti per riconoscere e quantificare le specie chimiche, dall’individuazione di tracce in matrici ambientali al dosaggio di farmaci o sostanze tossiche nei fluidi biologici; la chimica fisica, infine, costruisce modelli e teorie per interpretare reattività, equilibrio e dinamiche molecolari, corroborandoli con misurazioni precise.

Negli ultimi decenni i confini tra chimica, fisica, biologia, matematica e informatica sono diventati permeabili. Terapie mediche, dispositivi diagnostici e biotecnologie nascono dall’integrazione di competenze diverse e dalla consapevolezza che la funzione biologica discende da trasformazioni chimiche fondamentali. Perciò la padronanza dei principi di base della chimica risulta cruciale per le professioni sanitarie e biomediche.

Il metodo scientifico è un percorso organizzato per produrre conoscenza affidabile. Non è uno schema meccanico che garantisce scoperte, ma un modo disciplinato di porre domande, generare spiegazioni e sottoporle a verifica in condizioni controllate. Creatività e immaginazione si coniugano con rigore sperimentale e riproducibilità. Come sintetizzato in (Figura 01.01-01), le fasi tipiche comprendono:

• Osservazione: rilevare aspetti qualitativi (colore, odore, consistenza) e quantitativi (temperatura, massa, volume) di un sistema, mediante sensi e strumenti tarati;
• Formulazione di una domanda: tradurre la curiosità in quesiti circostanziati — perché avviene un fenomeno, in quali condizioni, con quali limiti;
• Riconoscimento di un modello: individuare regolarità, correlazioni e nessi di causa‑effetto, in grado di suggerire schemi generali applicabili a casi diversi;
• Sviluppo della teoria: proporre un’ipotesi coerente con le osservazioni e, se ripetute prove indipendenti la sostengono, elevarla a teoria capace di spiegare fatti noti e di formulare previsioni controllabili;
• Sperimentazione: progettare esperimenti con controlli, variabili misurabili e criteri di falsificabilità, così da corroborare o confutare ipotesi e teorie;
• Sintesi delle informazioni: condensare ampi insiemi di dati in leggi concise. Ad esempio, la conservazione della massa nelle reazioni chimiche può essere espressa come \( m_{\text{iniziale}} = m_{\text{finale}} \), ossia \[ \Delta m = 0, \] principio che riassume risultati riproducibili ottenuti in molteplici contesti sperimentali.

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Metodo scientifico

Il metodo scientifico, un modo organizzato di fare scienza. Appare chiara la strategia per tentativi, tria/ and error. Se gli esperimenti non confermano le ipotesi fatte, il ciclo deve ricominciare.

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Ipotesi, leggi e teorie spesso si traducono in equazioni, non sempre di immediata intuizione. Per rendere accessibili strutture e processi complessi, i chimici ricorrono a modelli: rappresentazioni semplificate che, pur con i loro limiti, offrono una visione efficace del sistema. Consideriamo il metano, componente principale del gas naturale, costituito da un atomo di carbonio (C) e quattro atomi di idrogeno (H). Un modello “sfere‑e‑bastoncini” ne raffigura la geometria: una sfera centrale (carbonio) collegata da quattro bastoncini a quattro sfere periferiche (idrogeni), disposte ai vertici di un tetraedro con angoli prossimi a 109,5°. Colorazioni diverse aiutano a distinguere gli elementi; la struttura ripetuta in tutte le molecole di metano riflette la simmetria della specie chimica. Il modello non pretende di riprodurre la realtà fisica degli atomi, ma permette di visualizzare legami e disposizione spaziale, utili per interpretare reattività e proprietà.

Nel corso di circa due secoli, osservazioni sperimentali e riflessioni teoriche hanno portato alla teoria atomica della materia, in cui modelli a diversa scala — dalla struttura elettronica ai reticoli cristallini — si sostengono reciprocamente e vengono affinati alla luce di nuovi dati. L’idea che la struttura determini la funzione guida oggi la progettazione di molecole e materiali “su misura”, ad esempio per terapie mirate contro patologie refrattarie o per dispositivi ad alte prestazioni. La (Figura 01.01-02) illustra alcune tecnologie contemporanee che traggono origine dalla comprensione della natura atomica della materia.

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Tecnologie

Esempi di tecnologie originate dalla ricerca scientifica: (a) sintesi di un nuovo farmaco, (b) occhiali per la realtà virtuale, (c) uso di luce UV per fissare del cemento dentale, (d) stampa wireless da smartphone.

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