Leggere una formula: indici, unità e quantità

L'idea centrale

Una formula chimica è una scrittura convenzionale che condensa informazioni sulla composizione. In H₂O la lettera H indica idrogeno, la lettera O ossigeno e il piccolo 2 dopo H indica due atomi di idrogeno nell'unità descritta. Poiché dopo O non compare un indice, si intende uno. La formula dunque esprime il rapporto due a uno nella singola molecola d'acqua. Il numero davanti alla formula ha un compito diverso: 3 H₂O indica tre unità dello stesso tipo. In un esercizio di conteggio si devono leggere posizione e campo di applicazione di ogni numero. Il disegno di due modellini aiuta a visualizzare il rapporto, ma i cartoncini del caso sono solo nel testo.

Partiamo dal primo cartoncino. H₂O contiene due simboli di elementi diversi, non tre elementi: il 2 conta atomi di H, non nuovi tipi di sostanza. Una singola unità descritta contiene complessivamente tre atomi nel modello molecolare: due H più un O. La somma è utile solo dopo aver nominato quali atomi vengono sommati. Se si chiede quanti ossigeni sono in quattro molecole d'acqua, la risposta è quattro, perché l'uno implicito di O si ripete quattro volte. Non si cambia la formula scrivendo H₂O₄: quello altererebbe il rapporto interno, anziché moltiplicare il numero di molecole. La posizione grafica dei numeri è parte del significato. Nel secondo cartoncino, 3 H₂O, il coefficiente tre moltiplica tutta l'unità: tre molecole hanno sei atomi di idrogeno e tre di ossigeno. Il procedimento esplicito è leggere prima una unità, poi ripetere il conteggio. Scrivere tre accanto a H soltanto sarebbe un errore di portata. In un contesto più avanzato i coefficienti servono anche a bilanciare equazioni di reazione; qui li usiamo solo come moltiplicatori di unità descritte. Il numero davanti non è un indice della specie e non trasforma l'acqua in una nuova sostanza. La formula resta H₂O per ciascuna delle tre molecole.

Un passo in più

Il modellino presenta due copie di una sfera rossa con due bianche. Possiamo contare due unità visive e, dentro ciascuna, due sfere bianche e una rossa. Se assumiamo la convenzione didattica dichiarata dal testo, bianco corrisponde a H e rosso a O. L'immagine non prova però che gli atomi veri abbiano questi colori, quelle dimensioni o quelle distanze. Nemmeno la scheda vuota accanto ai modelli contiene una formula leggibile. Il testo deve fornire la convenzione e i simboli; il disegno aiuta a controllare un conteggio. Se un dettaglio non è esplicitato, non lo attribuiamo alla figura per rendere la risposta più appariscente. Una formula non descrive sempre da sola la forma tridimensionale di una molecola, la temperatura del campione o la quantità presente in un bicchiere. Per H₂O sappiamo la composizione di una unità, non il numero di unità contenute in una goccia reale. Per contare molecole in un campione servirebbero grandezze e strumenti ulteriori. Anche la massa di una molecola non si ricava dal numero di sfere disegnate: servono masse atomiche e una convenzione di unità. In questa lezione il compito è più circoscritto e controllabile: leggere simboli e indici, distinguere un rapporto interno da una moltiplicazione esterna e nominare i limiti della rappresentazione.

Testo e dati del caso

Caso inventato: su due cartoncini compaiono H₂O e 3 H₂O. Nel primo si descrive una molecola d'acqua; nel secondo tre molecole dello stesso tipo. Il modellino della figura illustra due unità H₂O ma non riporta i cartoncini.