La Storia Affascinante dei Laboratori di Analisi Chimiche: Scopri Come Sono Evoluti Attraverso i Secoli!

In Europa, a partire dalla seconda metà del XVII secolo, prese forma una nuova scienza: la chimica. Attingendo conoscenze dalla medicina, dalla farmacia, dalla metallurgia e soprattutto dall'alchimia, la chimica si poneva come obiettivo lo studio della materia e delle sue trasformazioni per mezzo di esperimenti, prove e analisi da svolgersi necessariamente in un laboratorio.

Le Origini dei Laboratori Chimici (XVII-XVIII Secolo)

Il laboratorio chimico del XVII/XVIII secolo era un ambiente essenziale, caratterizzato dalla presenza di un tavolo da lavoro e di una fornace, sovrastata da un camino. La strumentazione impiegata si limitava a contenitori di svariate fogge, come matracci, capsule, calici, bicchieri, storte, campane e flaconi costruiti in vetro, metallo, porcellana o terracotta, oltre a imbuti, mortai e alambicchi, ovvero distillatori.

È curioso osservare che, sebbene i chimici dell'epoca abbiano voluto più volte sottolineare con forza gli elementi di discontinuità tra loro e gli alchimisti, da questi ultimi abbiano ereditato, oltre all'immensa mole di conoscenze empiriche, anche gli apparati scientifici con cui sperimentare. Intorno alla metà del 1700, la chimica entrò definitivamente a far parte degli insegnamenti universitari, ma le lezioni pratiche si limitavano a esperimenti mostrati agli studenti dal professore o, più spesso, da un "dimostratore".

Verso la fine di questo secolo, la chimica acquisì un definitivo status di scienza, dove l'indagine sperimentale veniva supportata da un insieme di teorie interpretative dei fenomeni osservati. Quest'epoca, a giusto titolo definita rivoluzionaria per la chimica e non solo, è simboleggiata dalla straordinaria opera scientifica di Antoine-Laurent Lavoisier in campo teorico e sperimentale, soprattutto con l'introduzione fondamentale dell'utilizzo della bilancia nel laboratorio e quindi con l'innovativo approccio quantitativo sintetizzato dal celebre motto "OMNIA IN MENSURA ET NUMERO ET PONDERE".

Sull'onda innovatrice dell'illuminismo, la chimica divenne progressivamente argomento di interesse pubblico anche in funzione delle ovvie implicazioni applicative ed economiche ad essa correlate. I laboratori incominciarono ad essere frequentati da un maggior numero di persone, ma quasi sempre in qualità di auditori.

L'invenzione della pila elettrica da parte di Alessandro Volta nel 1801 e gli importanti lavori svolti con essa da Humphry Davy sull'elettrolisi dei sali introdussero l'utilizzo di apparati elettrici nei laboratori chimici. Da questo periodo in poi, incominciarono a far parte delle dotazioni scientifiche vere e proprie "macchine" decisamente più complesse rispetto alle apparecchiature utilizzate già in precedenza.

L'Evoluzione nel XIX Secolo

Nonostante i progressi, le ricerche svolte nei laboratori chimici, per gran parte, si limitarono a separazioni e analisi della composizione di prodotti naturali. Le apparecchiature fondamentali non cambiarono, come d'altronde le operazioni con cui si separavano i composti: preparazione di soluzioni, evaporazioni, cristallizzazioni, filtrazioni, precipitazioni e distillazioni, tutte atte ad ottenere sostanze il più possibilmente pure e separate da poter poi "saggiare" con i vari reagenti.

Con l'avvento della chimica-fisica e il progredire della chimica-organica verso la metà dell'800, le ricerche chimiche raggiunsero una complessità e una vastità tale che il lavoro in laboratorio non poté più essere svolto dal solo chimico e dal suo assistente. Il laboratorio si trasformò in una struttura complessa con magazzini, sale di preparazione, studi e locali che ospitavano il crescente numero di apparecchiature. Il lavoro di ricerca, coordinato da un direttore, venne ripartito tra diversi ricercatori che lavoravano indipendentemente ad una parte dell'indagine chimica. Questa organizzazione del lavoro, introdotta dal chimico tedesco Justus von Liebig, divenne velocemente il modello dei principali laboratori d'Europa.

Sul finire del XIX secolo, i laboratori chimici, ed in particolare quelli delle università, erano profondamente cambiati. Da angusti locali in cui fare semplici esperimenti, quali erano stati nei secoli passati, si erano trasformati in centri di ricerca con dotazioni di strumenti scientifici sempre più numerose e di qualità. All'interno di questi laboratori lavoravano diversi gruppi di ricercatori che ovviamente permettevano di svolgere ricerche più organiche e approfondite nei diversi settori della chimica.

L'introduzione del gas come combustibile di lì a poco avrebbe decretato la scomparsa delle fornaci e dei fornelli a carbone, ormai sostituiti dai meno ingombranti e più moderni bruciatori (becchi Bunsen e Teclu). In questo periodo si affermò definitivamente la chimica di sintesi, che aveva come scopo la produzione di nuovi composti non esistenti in natura o l'ottenimento di composti già esistenti per via artificiale.

Il Laboratorio Chimico del XX Secolo

Si giunse così al laboratorio chimico del primo novecento, che era un ampio locale dove i tavoli da lavoro erano diventati banconi dotati delle utenze fondamentali (acqua, gas, elettricità) e costruiti per resistere agli agenti chimici. Alla dotazione di bilance e vetreria di base si affiancò quella di strumenti scientifici più complessi, come spettrografi, polarimetri e microscopi, a volte collocati in appositi locali, necessari allo studio delle proprietà chimiche e fisiche delle sostanze.

Il laboratorio, in questo stesso periodo, divenne anche strumento fondamentale di didattica attiva, consentendo agli studenti di sperimentare e assumendo quindi la duplice veste di luogo di ricerca e di insegnamento.

Anche le altre scienze, inoltre, si adeguarono al modello fornito dal laboratorio chimico che divenne il progenitore dei moderni laboratori fisici, biologici e di quelli dedicati alla ricerca e allo sviluppo industriale. Se è vero che i laboratori e gli edifici a essi destinati si diffusero enormemente nel corso del secolo, anche le pratiche di laboratorio subirono un processo di modificazione diventando più complesse e specializzate. Mentre il chimico del XVIII sec. non aveva ancora piena coscienza di sé, i chimici del tardo Ottocento erano solitamente specializzati, per esempio nelle analisi, e magari focalizzati, in modo ancor più ristretto, nell'analisi dell'acqua o del cibo.

La Struttura del Laboratorio Tipico

Intorno al 1825 è possibile parlare di un laboratorio 'tipico' per gli scopi generali della chimica. Esso era costituito da una stanza rettangolare con un alto soffitto, ampie finestre disposte su una delle pareti più lunghe e, sul lato opposto, forni permanenti dotati di tubi interni che permettevano varie condizioni di riscaldamento, forni portatili, il bagno a sabbia riscaldato in maniera continua e l'apparecchiatura più antica, il bagno ad acqua o 'bagnomaria'.

Una delle pareti più corte era occupata da scaffali per bottiglie e vasi contenenti le varie sostanze chimiche; l'altra da canali pneumatici - uno dei quali probabilmente riempito con mercurio - e altri apparecchi tra cui quello di Nooth per produrre e manipolare gas. Sotto la finestra si trovavano tavoli con cassetti nei quali erano riposti tappi di sughero, spaghi, carta gommata per le etichette e piccoli tubi di vetro.

L'apparecchiatura corrente comprendeva una gran varietà di beute e palloni (tra cui la cucurbita e il matraccio); storte di vetro, terracotta e metallo, con e senza imboccatura tubolare; bottiglie di Woulfe con due e tre colli; mortai di diverse dimensioni, di pietra, di ceramica lucidata, di acciaio, di ottone, oppure di bronzo. I mortai di agata erano utilizzati per ridurre i solidi in polvere molto fine; quelli più grandi avevano il pestello sospeso per mezzo di una molla. Capsule e vetrini erano disponibili in varie dimensioni.

L'Influenza dell'Insegnamento e dell'Industria

Questa disposizione generale venne modificata per effetto di diverse cause tra cui, una delle più importanti, fu determinata dalle esigenze introdotte dall'insegnamento della chimica. Robert Bunsen (1811-1899), a Heidelberg, introdusse l'uso di una finestrella posta in alto nella parete di fondo del suo ufficio per controllare gli studenti che fu copiata da Henry E. Roscoe (1833-1915) a Manchester e da Peter P. Bedson (1853-1943) a Newcastle.

Anche l'industria esercitò la propria influenza sul laboratorio. Le prime attività sugli alcali richiedevano una semplice stanza per eseguire i test, ma l'avvento dell'industria dei coloranti sintetici introdusse esigenze molto più sofisticate. Prodotti rivali dovettero essere esaminati e identificati e fu necessario provare nuove sintesi. Nacque così il laboratorio di ricerca industriale.

Strumentazione e Tecniche di Laboratorio

Pesature accurate, distillazioni efficaci e chiusure ermetiche furono condizioni essenziali per lo sviluppo della pratica di laboratorio e dell'analisi chimica. Ciononostante il loro sviluppo fu relativamente lento e si protrasse per tutto l'Ottocento. L'appello di Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) per giunti di vetro smerigliato non trovò risposta fino agli anni Trenta del Novecento; nel frattempo i chimici pratici provavano più passione per un buon tappo di sughero di quanto non ne sentissero per una teoria della valenza e ciò sembra correggere la nozione corrente secondo cui la teoria è quello che conta in chimica.

Prima che Carl Friedrich Mohr (1806-1879) inventasse uno strumento adatto, si utilizzavano due metodi per far passare un tubo di vetro attraverso il sughero. Il primo, utilizzato da Peter Woulfe (1727?-1803) nel suo apparecchio per la distillazione del 1767, prevedeva di limare un intaglio semicircolare o a 'V' in corrispondenza di un lato del sughero e sigillare l'intero giunto con una sostanza di consistenza simile a quella dello stucco chiamata luto. Il secondo metodo, descritto da Lavoisier e Michael Faraday (1791-1867), consisteva nel perforare il sughero con una bacchetta di acciaio incandescente, o con la punta aguzza di una lima, e nel rifinire il foro con una lima tonda.

Complesse serie di apparecchiature come gli impianti di distillazione di Woulfe o di Lavoisier-Hassenfratz presentavano il problema di unire le varie parti evitando le rotture dovute all'assenza di connessioni flessibili che impartissero mobilità ai diversi componenti della serie. Per chiudere il giunto tra la storta e il serbatoio si impiegava il luto e poiché questo veniva in contatto con i prodotti di reazione, furono ricercati luti specializzati la cui preparazione divenne, tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX sec., una parte fondamentale della pratica di laboratorio. Tra gli ingredienti preferiti dai chimici a questo scopo c'erano l'argilla di Storbridge, il formaggio, la terra argillosa, la farina, il crine di cavallo e l'olio di semi di lino.

Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) fornì la formula per dodici luti, tra cui due miscele a presa dura costituite da limatura d'acciaio miscelata con argilla, gesso, colla e latte, che però creavano problemi quando l'apparecchiatura doveva essere smontata.

Che non tutti fossero soddisfatti di questi metodi estremamente lunghi è indicato dalle parole di Lavoisier sulla necessità di giunti intercambiabili contenute nel suo Traité élémentaire de chimie: "Sarebbe di utilità infinita poter permettere ai chimici, specialmente quelli che si occupano di processi pneumatici, di poter evitare l'uso dei luti, o almeno diminuire il numero necessario in strumenti complicati. Una volta pensai di farmi costruire l'apparecchiatura in modo tale che tutte le sue parti fossero unite mediante guarnizioni di smeriglio, allo stesso modo delle bottiglie con i tappi di cristallo, ma l'esecuzione di un progetto di questo tipo si rivelò estremamente complicata".

Il primo sistema di giunti intercambiabili di vetro smerigliato per le vetrerie da laboratorio chimico fu realizzato, tuttavia, solo nel 1926, da Fritz Friedrichs (1885-1958), della Greiner & Friedrichs di Stützerbach in Turingia.

L'Importanza delle Bilance Chimiche

All'inizio dell'Ottocento, la maggior parte dei chimici ancora utilizzava le semplici bilance a piatti degli orefici e dei negozianti medievali e questo conservatorismo sopravvisse in parte fino agli anni Settanta del XX secolo. Il XIX sec. fu comunque un periodo cruciale per lo sviluppo della bilancia chimica la cui precisione aumentò moltissimo nonostante le difficoltà presentate dalla lunghezza del giogo, che se indubbiamente rendeva più sensibile la bilancia, per la sua maggiore pesantezza era soggetto, prima di poter raggiungere l'equilibrio e determinare il peso, a lenti moti di dondolamento.

Per migliorare il funzionamento del fulcro sul quale gira il cardine del giogo e i punti di contatto tra il fulcro e i piatti della bilancia, nel Settecento si incominciarono a usare lastrine e coltelli di acciaio temperato per il perno centrale; dopo il 1770 essi rimpiazzarono i ganci a 'collo di cigno' che fino a quel momento erano stati utilizzati per collegare il giogo e i piatti.

Alla Royal Society era stato chiesto, da parte del governo, di determinare accuratamente il peso specifico delle bevande alcoliche in base al loro contenuto di alcol. Il suo segretario Charles Blagden (1748-1820) chiese a Ramsden - già noto come costruttore di strumenti - una bilancia che combinasse precisione e capacità di sostenere grossi pesi. A questo scopo Ramsden usò coni vuoti collegati alla base, che univano solidità e leggerezza, e introdusse l'agata come materiale per i piani, che fino ad allora erano di acciaio temperato.

Il primo costruttore di strumenti a dedicarsi alla produzione di bilance di precisione fu il londinese Thomas C. Robinson (1792-1841) che, come Haas e Hurter, utilizzò un giogo reticolare, ma migliorò il progetto di base accorciando il giogo, che era estremamente delicato e aggiungendo un'intelaiatura di arresto che agiva da supporto. Egli inserì anche un puntatore centrale verticale e viti a ciascun capo del giogo che permettessero l'esecuzione di aggiustamenti minimi.

Oertling rese popolare anche il 'sistema a cavaliere' - una staffa o un ago che scorre sulla parte superiore del giogo - per sostituire i pesi molto piccoli difficili da usare e facilmente danneggiati o persi. Alla Great Exhibition del 1851 Oertling espose tre bilance e portò i più recenti progressi nella tecnologia di questo settore all'attenzione di un pubblico più ampio, che includeva anche molti chimici.

Nel 1867 Paul Bunge (1839-1888), un ingegnere progettista di ponti, realizzò una bilancia innovativa con un giogo corto, che eliminava le oscillazioni associate ai gioghi lunghi. La sua idea fu ripresa da Florenz Sartorius (1846-1925), che, per costruire il giogo, utilizzò l'alluminio, molto leggero ma estremamente costoso. Un altro progresso rilevante fu rappresentato dalle bilance meccaniche a variazione di peso, introdotte dal viennese Albert Rueprecht (1833-1913) intorno al 1885.

L'Evoluzione della Distillazione

La distillazione di liquidi volatili (e dei solidi da cui si ricavano liquidi) e la condensazione dei vapori che ne derivano è una delle operazioni più frequenti e importanti della chimica e se in questo contesto l'alambicco è considerato lo strumento simbolo dell'alchimia, quello che erroneamente viene chiamato 'condensatore di Liebig' riveste lo stesso ruolo per la moderna chimica organica. Poiché gli alambicchi erano costosi e delicati, veniva spesso utilizzata la storta, più semplice e particolarmente utile per la distillazione distruttiva (pirolisi) dei solidi.

L'idea di raffreddare un tubo condensatore con l'acqua fu avanzata per primo da Christian Weigel (1748-1831) nel 1771. Nel 1836 Mohr sigillò le porzioni terminali dei tubi esterni con tappi di sughero mentre Liebig rese popolare quello che dal 1852 è appunto noto come 'condensatore di Liebig'.

Il Laboratorio di Chimica Analitica Durante la Prima Guerra Mondiale

Durante la Prima guerra mondiale, il legame tra conflitto e scienza si fece sempre più stretto: la chimica divenne l’arma letale per eccellenza. La guerra invase la scienza, richiedendo ovunque una mobilitazione totalizzante.

Un esempio significativo è il Laboratorio di Chimica Analitica dell’Ufficio Materiale Chimico di Guerra (UMCG), attivo in locali dell’Università di Bologna negli anni 1918-1919 e diretto dal prof. Pietro Spica (1854-1929). Il Laboratorio era finalizzato all’analisi e alla ricerca su materiale bellico tossico proveniente dal fronte.

Dopo il primo attacco tedesco a sorpresa con i gas avvenuto ad Ypres nel 1915, la tragica realtà della guerra chimica era balzata in primo piano. Ogni esercito dovette dotarsi di compagnie e truppe specifiche per la guerra chimica, nonché dell’organizzazione a monte di produzioni industriali di sostanze e materiali su larga scala.

In Italia, nel 1915-1918, le operazioni di “guerra chimica” facevano riferimento ad un intricato sistema nazionale di commissioni e servizi a composizione mista scientifico/politico/militare, che aveva il compito di gestire la sperimentazione e la produzione di dispositivi bellici, sia di difesa che d’attacco.

Il laboratorio chimico, emanazione della Commissione “per l’analisi dei gas usati dal nemico” della Giunta permanente creata dal neonato Ministero della Guerra, fu realizzato nella fase finale della guerra presso la Regia Università di Bologna, sotto la direzione del prof. Pietro Spica, ed aveva il compito di analizzare gas tossici e materiali esplosivi usati dal nemico, provenienti dal fronte.

Il lavoro del Laboratorio rimase “assiduo e diligente” anche dopo l’armistizio poiché il comando supremo aveva ordinato un’accurata analisi dei «liquidi speciali» contenuti nei proiettili dei depositi abbandonati dal nemico, specialmente di quei tipi di proiettili che non erano stati ancora esaminati.

Spica riportava che furono ideati protocolli analitici per l’esame e lo studio di campioni di miscele complesse fino a quel momento sconosciute, inviate a Bologna dal comando supremo, e tali protocolli comprendevano prima di tutto l’esame dei caratteri organolettici e fisici del composto e quindi la scomposizione e la separazione dei diversi componenti.

Spica parlava di “lavoro ingrato (…) che esponeva gli analisti a gravi pericoli e non fu esente di qualche conseguenza e di fatti patologici”. Gli effetti del contatto con sostanze tossiche sono riportati per molti dei composti analizzati, e non si vede in che altro modo possano essere stati descritti se non dopo che i chimici li avevano sperimentati personalmente sui banconi del laboratorio.

L’episodio del Laboratorio di Chimica Analitica dell’UMCG mette in evidenza come la prima guerra mondiale abbia coinvolto la conoscenza scientifica in modo pervasivo nelle operazioni belliche, in stretta connessione con la politica e gli apparati militari e industriali.

La Chimica del Settecento in Italia

La chimica della prima metà del Settecento in Italia aveva un carattere fortemente applicativo: è pressoché impossibile separarla dalla medicina e farmacia da un lato, e dalla mineralogia e metallurgia dall’altro. Per quanto riguarda il settore mineralogico, i governi dei principali Stati della penisola finanziarono viaggi all’estero per i loro mineralogisti, in modo che potessero osservare le tecniche estrattive e di lavorazione dei minerali per poi applicarle in patria.

Di notevole importanza furono le ricerche sulle acque minerali. Gli studi generalmente comprendevano anche il possibile uso medico di queste acque e il metodo per riottenerle artificialmente a partire dai prodotti dell’analisi.

Una delle proprietà fondamentali dei vari tipi di gas che si venivano scoprendo nel corso del Settecento era la loro respirabilità. Poiché combustione e respirazione erano analoghe, la prova più semplice consisteva nel porre una candela accesa sotto campane di vetro in cui erano contenuti diversi tipi di gas. Un altro metodo consisteva nel porre sotto la campana di vetro animali come rane, piccoli uccelli o piccoli mammiferi.

L'Analisi Chimica Qualitativa: Il Metodo Blowpipe

L'analisi chimica qualitativa Blowpipe, un metodo di indagine di elezione per la chimica analitica nei laboratori dei grandi chimici dell'Ottocento, si basava sull'osservazione delle modifiche della fiamma di una candela attraverso un capillare di vetro. Questo metodo, insegnato nel laboratorio di Liebig a Giessen, in Germania, costituiva una delle esercitazioni fondamentali per i chimici europei.

Il seguente elenco mostra alcuni laboratori chimici delle dogane in Italia e le loro aree di competenza nel corso del tempo:

Roma: Laboratorio Specializzato nel campo degli oli di oliva, sede di Panel Test.
Trieste: Analizza le merci relative al flusso di esportazioni verso i paesi dell'Est europeo e del Medio Oriente, e le importazioni di materie prime e prodotti agricoli.
Venezia: Industrie delle province di Padova, Treviso, Vicenza, Belluno e Udine, fra cui industrie tessili e manifatturiere, di distillati alcolici e della birra.
Livorno: Dogane di Livorno, La Spezia, Viareggio, Marina di Carrara, Piombino, Porto S. Stefano, per l'U.T.F. di Livorno. Industrie olearie, siderurgiche, meccaniche, petrolifere e petrolchimiche, chimico farmaceutiche e cosmetiche di Pisa, conciarie di S. Croce sull'Arno.
Milano: Forte flusso di esportazioni di paste alimentari, sfarinati, ecc.
Bari: Province di Bari, Campobasso, Foggia, Brindisi, Lecce, Matera, Taranto, Pescara, Chieti, L'Aquila e Teramo.
Catania: Dogane di Catania, Siracusa ed Augusta e gli U.T.F.