Natron: scoperta dell’equilibrio chimico, reazioni reversibili

Il natron si forma per evaporazione delle acque ricche di sodio  e si trova nel letto dei laghi in zone particolarmente aride.
Durante la campagna d’Egitto guidata da Napoleone Bonaparte che ebbe luogo tra il 1798 e il 1801 si aggregarono oltre 150 studiosi. Essi, al di là degli avvenimenti bellici, fecero lavori in campo scientifico. I loro interessi si focalizzarono su esplorazioni archeologiche, studi sulla storia naturale dell’Egitto e su fenomeni chimici e fisici.

Il  chimico   Claude Berthollet che si aggregò alla missione si imbatté nel Natron , carbonato decaidrato di sodio. Esso si forma nel letto di laghi per la presenza di ioni sodio e di ioni  cloruro . Il cloruro di sodio così formato, unitamente al carbonato di calcio avevano dato luogo al carbonato di sodio.

Il natron era già noto agli antichi Egizi che lo utilizzavano per la pulizia del corpo, l’igiene dentale, come agente conservante per il cibo ed era uno degli ingredienti fondamentali nel processo di mummificazione. Infatti il natron rimuoveva l’acqua dai tessuti prima del trattamento con le resine in modo tale da impedire il deterioramento e la putrefazione per attacco di batteri e funghi.

Natron e “Affinità chimica”

Per comprendere come Berthollet sia giunto alla sua scoperta si deve comprendere come i chimici del XVIII secolo interpretavano la reattività chimica in termini di “affinità chimica”.

Ad esempio se la sostanza A reagisce con la sostanza BC per dare AB secondo la reazione:
A + BC → AB + C

si riteneva che A avesse affinità chimica nei confronti di B e viceversa e ciò costituiva la forza trainante della reazione. Una reazione quindi doveva necessariamente procedere in un’unica direzione fino a giungere a completezza ovvero, una volta formato il composto AB la reazione non poteva procedere in senso inverso:

AB + C →  A + BC

Dalla sua esperienza in laboratorio Berthollet sapeva che aggiungendo carbonato di sodio a una soluzione di cloruro di calcio avveniva una reazione di precipitazione con formazione di carbonato di calcio:

Na₂CO_3(s) + CaCl_2(aq) → CaCO_3(s) + 2 NaCl_(aq)

Alla luce delle sue conoscenze quindi Berthollet rimase sorpreso nel rinvenire Na₂CO₃ allo stato solido sui bordi del lago soprattutto perché i depositi si formano solo quando l’acqua salata del lago era in contatto con il calcare mentre dove il lago era in contatto con i terreni argillosi non si trovava il carbonato di sodio.

Con intuito formidabile Berthollet comprese che la reazione che porta alla formazione del carbonato di sodio ovvero del natron non era altro che la reazione scritta da destra a sinistra rispetto a quella che era fatta in laboratorio:

CaCO_3(s) + 2 NaCl_(aq) → Na₂CO_3(s) + CaCl_2(aq)

Reazioni reversibili

Giunse così alla conclusione che  la reazione è reversibile e che le quantità  relative di CaCO₃, NaCl_, Na₂CO₃ e CaCl₂ determinano la direzione in cui avviene la reazione e la composizione finale della miscela di reazione ovvero la massa delle varie specie svolgeva un ruolo nel determinare le condizioni in cui avvenivano le reazioni determinandone gli esiti.

Noi indichiamo con una doppia freccia una reazione che può muoversi in entrambe le direzioni ovvero una reazione reversibile:

Na₂CO_3(s) + CaCl_2(aq) ⇄ CaCO_3(s) + 2 NaCl_(aq)

Berthollet comprese che la possibilità che le reazioni fossero reversibili era un passaggio importante per comprendere la reattività chimica.  Nella reazione tra carbonato di calcio e cloruro di sodio all’inizio la quantità di ione Ca²⁺ presente in soluzione diminuisce mentre aumenta la quantità di carbonato di calcio fino a un punto in cui non vi è variazione della quantità delle specie e tale stato è detto stato di equilibrio.

Era stato messo così il primo tassello per lo studio dell’equilibrio chimico che riveste particolare importanza in tutti i campi di applicazione della chimica.