Ossigeno O

Il contesto scientifico dell'epoca

L'ossigeno è l'elemento più abbondante della crosta terrestre e ne costituisce quasi la metà, ma quasi mai lo si incontra da solo: sta dentro ossidi, cioè dentro l'acqua, l'anidride carbonica, gli ossidi di ferro e i silicati che formano gran parte delle rocce. È un non metallo altamente reattivo e un ossidante potente, capace di formare ossidi con la maggior parte degli elementi e con moltissimi composti. La roccia su cui si cammina è, in buona parte, ossigeno legato a qualcos'altro; la parte libera, quella che si respira, è l'eccezione e non la regola.

Le proporzioni dell'ossigeno meritano di essere messe in fila, perché cambiano a seconda di dove si guarda e ogni cifra racconta qualcosa. Nell'universo è il terzo elemento per abbondanza dopo idrogeno ed elio, con un distacco enorme dai due capoclassifica ma altrettanto enorme su chi segue: nella Via Lattea l'idrogeno vale 739.000 parti per milione in massa e l'elio 240.000, l'ossigeno 10.400 e il carbonio, quarto, 4.600. Lo stesso Sole è ossigeno per lo 0,9 per cento della propria massa. Sulla Terra le quote salgono: il 49,2 per cento della crosta in massa, l'88,8 per cento degli oceani. Nell'atmosfera, invece, è secondo dopo l'azoto e vale il 20,8 per cento del volume, cioè il 23,1 per cento della massa.

C'è una conseguenza di quella reattività che vale la pena mettere a fuoco subito, perché rovescia l'intuizione comune. L'ossigeno è troppo reattivo per restare libero nell'aria: se non venisse continuamente rifornito, sparirebbe, legandosi a tutto ciò che trova. Il rifornimento è opera dell'attività fotosintetica degli autotrofi — cianobatteri, alghe dotate di cloroplasti, piante terrestri — e non si interrompe mai. L'atmosfera che respiriamo non è uno stato di equilibrio raggiunto una volta per tutte: è un flusso, mantenuto da organismi che lavorano in continuazione.

La molecola che respiriamo ha una configurazione elettronica che, sui manuali, è un caso da segnalare. Nel suo stato fondamentale l'ossigeno molecolare ha due elettroni spaiati, il che ne fa un esempio insolito di diradicale stabile e di uso comune: i radicali, di norma, sono specie fugaci e aggressive, mentre questo sta nell'aria da miliardi di anni. La ragione sta in due orbitali molecolari π di pari energia: le regole di Hund impongono che i due elettroni li occupino separatamente e con spin paralleli invece di accoppiarsi, ed è da lì che viene anche il paramagnetismo dell'ossigeno, cioè il fatto che l'ossigeno liquido resti appeso fra i poli di una calamita.

Quei due orbitali semipieni hanno carattere antilegante, e la conseguenza si vede nel confronto con il vicino di casa. Occupandoli, i due elettroni abbassano l'ordine di legame della molecola da tre a due: l'azoto, che quegli stessi orbitali li lascia vuoti, ha il triplo legame e per questo è quasi inerte, mentre l'ossigeno ne ha uno doppio. Esiste però anche lo stato in cui i due elettroni si accoppiano, ed è l'ossigeno di singoletto: molto più reattivo del normale e metastabile. La stessa molecola, con la stessa formula, in una configurazione elettronica diversa diventa un'altra cosa.

C'è un dettaglio estetico che quasi nessuno si aspetta: l'ossigeno ha un colore, solo che alle temperature ordinarie non si vede. Allo stato gassoso è incolore, come l'aria di cui fa parte; ma liquido e solido è azzurro pallido, un celeste tenue che non dipende da impurità ma dalla molecola stessa. Per vederlo bisogna scendere sotto i centottantatré gradi sotto zero, e a quel punto l'ossigeno mostra due proprietà insieme: il colore e il magnetismo, perché è proprio in quello stato che si può sospendere fra i poli di una calamita. Il gas di cui è fatto un quinto dell'aria, raffreddato abbastanza, diventa un liquido azzurro che risponde ai magneti.

Dal punto di vista nucleare l'ossigeno è semplice e monotono: quasi tutto quello che esiste è ossigeno-16, che da solo vale il 99,8 per cento del totale, mentre l'ossigeno-18 si ferma allo 0,2 e l'ossigeno-17 a meno di un ventesimo di punto. Sembra un dettaglio da tabella, e invece quella minoranza di atomi pesanti è uno strumento centrale delle scienze della Terra: le molecole d'acqua con l'isotopo più leggero evaporano un po' più facilmente e precipitano un po' meno, cosicché l'acqua dolce e il ghiaccio polare contengono meno ossigeno-18 dell'aria e dell'acqua di mare. È questa disparità a permettere di studiare gli andamenti storici della temperatura analizzando le carote di ghiaccio. Il termometro del Quaternario è fatto contando atomi rari di ossigeno.

La vicenda umana

Il cambiamento concettuale che rende possibile tutto il resto ha un nome: chimica pneumatica, l'area di ricerca che fra Seicento, Settecento e primo Ottocento si occupò delle proprietà fisiche dei gas, del loro rapporto con le reazioni chimiche e, in ultima analisi, della composizione della materia. L'idea nuova, attorno a cui nacque un intero campo della filosofia naturale, è che l'aria fosse un reagente. Prima di allora l'aria era considerata soprattutto una sostanza statica, che non reagiva e semplicemente esisteva: lo sfondo davanti a cui le cose accadevano. Lavoisier e gli altri chimici pneumatici insistettero sul contrario, cioè che l'aria fosse dinamica, influenzata da ciò che brucia e capace a sua volta di influenzare le proprietà delle sostanze.

Per capire perché sia stato così difficile riconoscere l'ossigeno bisogna prendere sul serio la teoria che lo rendeva invisibile. Il flogisto — dal greco phlogistón, «che brucia», da phlóx, fiamma — era una sostanza che si supponeva contenuta nei corpi combustibili e liberata durante la combustione: bruciare significava deflogisticarsi, cedendo all'aria il proprio flogisto. La teoria tentava di spiegare insieme la combustione e l'arrugginimento, cioè quello che oggi chiamiamo collettivamente ossidazione, e per questo era ambiziosa e utile. Aveva un solo problema, ma serio: l'aumento di massa che accompagnava quei processi.

La teoria ha una genealogia precisa. Nel 1669 Johann Joachim Becher propose l'esistenza di una terra pinguis, l'elemento che conferiva alle sostanze le proprietà oleose, sulfuree o combustibili e che si liberava bruciando. Becher ebbe poca parte nel flogisto come lo conosciamo, ma ebbe una grande influenza sul proprio allievo: nel 1703 Georg Ernst Stahl, professore di medicina e chimica a Halle, ribattezzò la terra pinguis del maestro con il nome di flogisto, ed è in questa forma che la teoria ebbe probabilmente la sua massima influenza. Il termine, peraltro, non l'aveva inventato nemmeno lui: risulta già in uso nel 1606, e con un significato molto simile.

Sarebbe però sbagliato archiviare il flogisto come una superstizione che ritardò il progresso, e le fonti sono esplicite su questo punto: fu proprio la teoria del flogisto a condurre agli esperimenti che sfociarono nell'identificazione dell'ossigeno intorno al 1771 e nel suo battesimo nel 1777. Priestley cercava aria deflogisticata perché credeva nel flogisto, e trovandola dimostrò che il flogisto non serviva. È il modo in cui le teorie sbagliate sono utili: non perché siano vere, ma perché dicono dove guardare, e a volte quello che si trova guardando lì le distrugge.

Prima ancora di arrivare ai tre nomi che tutti conoscono, va registrato un quarto contendente che la maggior parte dei racconti omette. La voce dedicata all'elemento afferma che l'ossigeno fu isolato dall'alchimista Michael Sendivogius prima del 1604, quasi due secoli prima di chiunque altro, e la stessa scheda lo elenca fra gli scopritori accanto a Scheele. Subito dopo, però, aggiunge che si ritiene comunemente che l'elemento sia stato scoperto in modo indipendente da Scheele e da Priestley. Le due affermazioni convivono nella stessa fonte, ed è un caso istruttivo: isolare un gas e riconoscerlo come elemento sono atti diversi, e la storia della scienza premia quasi sempre il secondo. Questo approfondimento registra la rivendicazione seicentesca senza assegnarle la scoperta, e senza toglierla a chi la detiene per consenso.

C'è poi un precursore che la contesa settecentesca ha completamente oscurato, e la cui vicenda merita più di una nota a piè di pagina. John Mayow, medico inglese vissuto fra il 1641 e il 1679 ed eletto alla Royal Society su proposta di Robert Hooke, precedette Priestley e Lavoisier di un secolo nel riconoscere l'esistenza dell'ossigeno — lo chiamava spiritus nitro-aereus — come entità separata e distinta dalla massa generale dell'aria. Non si fermò lì: colse il ruolo che quello spirito aereo svolge nella combustione e, soprattutto, nell'aumento di peso delle calci dei metalli rispetto ai metalli stessi. Aveva individuato l'anomalia che un secolo dopo avrebbe fatto crollare il flogisto, prima ancora che il flogisto fosse stato formulato da Stahl.

Mayow arrivò anche più in là, applicando l'idea alla fisiologia. Riteneva che il calore animale nascesse dall'unione delle particelle nitro-aeree respirate dall'aria con le particelle combustibili presenti nel sangue, e che il cuore, essendo un muscolo, cessi di battere quando la respirazione si arresta. È, con il lessico sbagliato, una descrizione sostanzialmente corretta del rapporto fra respirazione ed energia, e la stessa fonte gli riconosce una descrizione anatomica notevolmente esatta del meccanismo respiratorio. Morì a Londra nel 1679, a poco meno di quarant'anni; il suo spiritus nitro-aereus fu dimenticato e andò riscoperto da capo, con un altro nome, un secolo più tardi.

Il primo a tenere in mano il gas, per consenso quasi generale, è un farmacista svedese. Carl Wilhelm Scheele lo produsse scaldando ossido mercurico e vari nitrati fra il 1771 e il 1772, e ne descrisse alcune proprietà. Poi non pubblicò per anni, e la ragione che le fonti danno non è la pigrizia né la segretezza: non riusciva a interpretare il proprio lavoro dentro la cornice della teoria del flogisto. È il punto più interessante di tutta la vicenda. Scheele aveva in mano il risultato e gli mancava la lingua per dirlo, perché l'unica lingua disponibile era quella che rendeva il risultato incomprensibile.

Vale la pena fermarsi su chi fosse quest'uomo, perché la sua figura smentisce l'idea che la chimica del Settecento fosse affare di gentiluomini con rendite. Scheele nacque a Stralsund, nella Pomerania svedese, nel 1742, e a quattordici anni fu mandato a Göteborg come apprendista farmacista; preferì parlare tedesco anziché svedese per tutta la vita, perché il tedesco era la lingua corrente fra i farmacisti svedesi. Lavorando dietro un banco di farmacia identificò il molibdeno, il tungsteno, il bario, l'azoto e il cloro, oltre all'ossigeno, e scoprì gli acidi tartarico, ossalico, urico, lattico e citrico, più il fluoridrico, il cianidrico e l'arsenico. Le fonti riassumono la cosa in una frase che vale più di un elogio: ottenne risultati prolifici e importanti senza la costosa attrezzatura di laboratorio a cui era abituato il suo contemporaneo parigino Antoine Lavoisier.

Del suo nome porta traccia anche un colore, e il colore dice qualcosa sull'epoca. Il verde di Scheele, noto anche come arsenito di rame o verde svedese, è un pigmento a base di arsenico altamente tossico, che nell'Ottocento finì nelle carte da parati, nei tessuti e perfino nei giocattoli. Le schede moderne lo trattano con i limiti di esposizione che si riservano ai cancerogeni. È un promemoria su che cosa significasse essere chimici in quel secolo: si scoprivano sostanze utili e sostanze letali con gli stessi gesti, spesso senza sapere in quale delle due categorie si stesse lavorando, e a volte la risposta arrivava dopo la morte di chi le aveva trovate.

Morì il 21 maggio 1786 a Köping, a quarantatré anni, e la causa che i medici indicarono chiude un cerchio con l'elemento raccontato poco prima in questo vault: avvelenamento da mercurio, dopo una vita passata a lavorare come chimico. Non era una fatalità isolata ma il rischio del mestiere, in un'epoca in cui assaggiare e annusare le sostanze faceva parte del metodo e nessuno indossava protezioni. L'uomo che per primo tenne in mano l'aria di fuoco fu ucciso dalle altre arie che aveva respirato per trent'anni.

Quando finalmente pubblicò, nel 1777, Scheele lo fece dopo aver letto del lavoro di Priestley, due anni prima. Chiamò il gas «aria di fuoco», e il nome ha una motivazione precisa e onesta: era, a quel tempo, l'unico agente noto capace di sostenere la combustione. Non è una metafora poetica, è una definizione operativa data da qualcuno che descriveva quello che vedeva senza pretendere di spiegarlo. Le fonti annotano che, pur non essendo riuscito a cogliere il significato della propria scoperta, il suo lavoro fu essenziale all'abbandono della teoria del flogisto.

Nell'agosto del 1774, a Bowood House nel Wiltshire, nel laboratorio messo a disposizione da Lord Shelburne di cui era bibliotecario e precettore, il pastore dissidente Joseph Priestley isolò un'aria che gli parve del tutto nuova. L'esperimento è rimasto famoso per la sua semplicità: concentrare i raggi del sole con una lente su un campione di ossido mercurico. Provò il gas sui topi, che lo sorpresero sopravvivendo parecchio a lungo nell'ambiente chiuso, e lo chiamò «aria deflogisticata», cioè aria a cui il flogisto era stato tolto. Non ebbe modo di approfondire subito, perché stava per partire per un viaggio in Europa con il suo protettore.

Quel viaggio è il momento in cui la storia dell'ossigeno cambia rotta. A Parigi, Priestley replicò l'esperimento davanti ad altri, e fra questi c'era Antoine Lavoisier. Tornato in Inghilterra scrisse a diverse persone del nuovo gas trovato in agosto, una di quelle lettere fu letta ad alta voce alla Royal Society, e la memoria che ne seguì — «An Account of further Discoveries in Air» — uscì sulle Philosophical Transactions. È questa la pubblicazione che gli vale, in molte ricostruzioni, la priorità: non la prima preparazione del gas, ma la prima stampa.

C'è un'obiezione che di solito non entra nei riassunti e che invece meriterebbe di starci, perché sposta la domanda invece di rispondervi. La memoria di Priestley narrava la scoperta in ordine cronologico, riportando i lunghi intervalli fra un esperimento e l'altro e i propri iniziali smarrimenti; per questa ragione, annota la fonte, è difficile stabilire quando esattamente Priestley abbia «scoperto» l'ossigeno. Le virgolette sono nell'originale, e fanno un lavoro preciso: suggeriscono che la scoperta non sia stata un istante ma un processo, e che pretendere di datarla al giorno significhi già aver deciso che cosa si sta cercando.

A questo punto si possono mettere in fila i tre primati, ed è chiaro perché nessuno dei tre annulli gli altri. Scheele fu il primo a isolare il gas, pur avendo pubblicato dopo Priestley. Priestley fu il primo a pubblicare, pur avendo chiamato quel gas «aria deflogisticata» e pur non avendolo riconosciuto come elemento chimico. Lavoisier fu il primo a descriverlo come «l'aria stessa intera e senza alterazione», cioè il primo a spiegarlo senza ricorrere al flogisto. Tre uomini, tre primati diversi, e una sola domanda mal posta: chi ha scoperto l'ossigeno dipende interamente da che cosa si decide che significhi scoprire.

Anche sulla data del battesimo le fonti divergono, e la divergenza va dichiarata. La nota base di questo vault colloca nel 1779 il momento in cui Lavoisier assegna il nome oxygène; la voce consultata data invece al 1777 sia il riconoscimento dell'ossigeno come elemento chimico sia l'attribuzione del nome, e lo ripete nella scheda riassuntiva. Le due cose non sono incompatibili — un termine può comparire in una memoria letta in un anno e in una pubblicazione a stampa in un altro, e il sistema di nomenclatura che lo fissò definitivamente è del 1787 — ma le fonti non esplicitano quale passaggio stanno datando. Questo approfondimento segue il 1777 e lascia la questione aperta.

Ciò che Lavoisier fece e che agli altri non era venuto in mente non è un esperimento nuovo: è una contabilità. Pesare tutto ciò che entra e tutto ciò che esce da una reazione, recipiente compreso, e confrontare i totali. Fatto questo, il paradosso che la teoria del flogisto aveva sempre aggirato diventa impossibile da ignorare: un metallo che arrostisce dovrebbe perdere flogisto e invece pesa di più, e quel peso in più corrisponde esattamente a quello che l'aria del recipiente ha perduto. Non si perde niente, si combina. Il flogisto non viene confutato da un argomento: diventa superfluo, che nella storia delle idee è una morte peggiore.

Nel laboratorio dell'Arsenale, però, non c'era un uomo solo. Marie-Anne Pierrette Paulze aveva sposato Lavoisier nel dicembre del 1771, a tredici anni, e le circostanze meritano di essere dette: aveva ricevuto una proposta di matrimonio dal conte d'Amerval, cinquantenne, e il padre, minacciato di perdere il proprio posto alla Ferma generale se si fosse opposto, sventò l'unione offrendo la mano della figlia a un collega — Lavoisier — che accettò. Da quel matrimonio combinato per evitarne un altro nacque una collaborazione tutt'altro che decorativa: ricevette una formazione chimica formale da Bucquet e Gingembre, colleghi del marito, fu per un periodo allieva del pittore Jacques-Louis David — che avrebbe poi ritratto i coniugi — e usò le proprie competenze linguistiche per redigere i lavori del marito e portarli a un pubblico internazionale. Le fonti le riconoscono un ruolo cardine nella traduzione di diverse opere scientifiche e la dicono strumentale alla standardizzazione del metodo scientifico. La maggior parte del lavoro di ricerca svolto in quel laboratorio, annotano, fu in realtà uno sforzo congiunto dei due.

Il contributo più notevole di Marie-Anne alla caduta del flogisto ha un titolo preciso: la traduzione dell'«Essay on Phlogiston and the Constitution of Acids» di Richard Kirwan, che era una difesa della teoria avversaria. Lei non si limitò a tradurlo: lo criticò mentre lo traduceva, aggiungendo note a piè di pagina e segnalando gli errori di chimica lungo tutto il testo. È un'operazione intellettuale, non un servizio di segreteria, e permise al circolo di Lavoisier di smontare l'opera avversaria punto per punto. Nell'edizione originale non fu accreditata come traduttrice; comparve solo in quelle successive. Tradusse inoltre, per uso personale del marito, lavori di Priestley, di Cavendish e di altri: senza quel lavoro, Lavoisier non avrebbe saputo che cosa stessero facendo gli inglesi.

Le vite dei due protagonisti superstiti finiscono entrambe travolte dalla Rivoluzione francese, ma da lati opposti. Priestley la sosteneva, e questo, unito alla sua posizione di dissidente religioso, gli costò tutto. Dal 14 al 17 luglio 1791 a Birmingham scoppiarono i moti che portano il suo nome: cominciarono con l'assalto al Royal Hotel, dove era in corso un banchetto organizzato per manifestare sostegno ai rivoluzionari francesi, e proseguirono con la chiesa e la casa di Priestley. In quattro giorni i rivoltosi attaccarono o bruciarono quattro cappelle dissidenti, ventisette case e diverse attività commerciali. L'uomo che aveva regalato al mondo l'aria deflogisticata dovette lasciare la città, e alla fine il paese.

Anche Priestley, come Scheele, non era un chimico e basta. Era un pastore unitariano, filosofo naturale, teologo separatista, grammatico, insegnante e teorico politico liberale, e pubblicò oltre centocinquanta opere. Alla chimica dei gas diede molto più dell'ossigeno: le fonti gli attribuiscono la scoperta di altri nove gas, fra cui il monossido di carbonio, l'ossido nitrico, il protossido d'azoto, l'ammoniaca, l'anidride solforosa e il tetrossido di diazoto, oltre alla scoperta del ciclo del carbonio. Era membro della Royal Society dal 1766 e aveva ricevuto la medaglia Copley nel 1772, due anni prima dell'esperimento con la lente.

Dopo i moti, l'Inghilterra diventò per lui un paese inabitabile. I figli Harry e Joseph partirono per l'America nell'agosto del 1793; lui li seguì con la moglie imbarcandosi sulla Sansom a Gravesend il 7 aprile 1794. Il tempismo fu provvidenziale: cinque settimane dopo la sua partenza, il governo di William Pitt cominciò ad arrestare i radicali per diffamazione sediziosa, dando luogo ai celebri processi per tradimento di quello stesso anno. Priestley morì in Pennsylvania, a Northumberland, nel 1804. C'è una coincidenza che vale la pena notare: mentre lui attraversava l'Atlantico per sfuggire a chi lo accusava di simpatie rivoluzionarie, a Parigi la Rivoluzione stava per uccidere l'uomo che aveva capito il suo gas.

Lavoisier la Rivoluzione la subì. Nel 1793, per la sua posizione di primo piano nella Ferma generale — il consorzio privato che riscuoteva imposte per la corona — fu bollato come traditore durante il Terrore; il padre di Marie-Anne, anch'egli membro di rilievo della Ferma, fu arrestato per motivi analoghi. Il 28 novembre 1793 Lavoisier si consegnò e fu imprigionato a Port Libre. Per tutta la durata della detenzione la moglie andò a trovarlo regolarmente e si batté per la sua liberazione. Non servì: nel maggio del 1794 furono ghigliottinati entrambi, il marito e il padre, lo stesso giorno.

Alla richiesta di risparmiare Lavoisier in nome dei suoi contributi alla scienza, la risposta attribuita al giudice Coffinhal è diventata una delle frasi più citate nella storia del rapporto fra potere e sapere: «La Repubblica non ha bisogno di scienziati né di chimici; il corso della giustizia non può essere sospeso». Il matematico Lagrange commentò l'esecuzione con parole altrettanto memorabili: «È bastato loro un istante per far cadere questa testa, e cent'anni forse non basteranno a produrne una simile». Vale la pena aggiungere una nota che raramente si legge: lo stesso Coffinhal fu giustiziato meno di tre mesi dopo, travolto dalla reazione termidoriana.

Un anno e mezzo dopo l'esecuzione, il governo francese riabilitò completamente Lavoisier. Durante il Terrore bianco i suoi beni furono consegnati alla vedova, e con essi un breve biglietto il cui testo è l'epilogo più asciutto che questa storia potesse avere: «Alla vedova di Lavoisier, ingiustamente condannato». Marie-Anne aveva perso in un giorno il marito e il padre, era rimasta senza mezzi per la confisca del proprio denaro e dei propri beni, e il nuovo governo aveva sequestrato tutti i quaderni e le attrezzature di laboratorio di Lavoisier. Nonostante questi ostacoli organizzò la pubblicazione delle sue memorie finali, le Mémoires de Chimie, raccolta dei lavori suoi e dei colleghi che dimostravano i principi della nuova chimica. Nella copia originale scrisse una prefazione in cui attaccava i rivoluzionari e i contemporanei che riteneva responsabili della morte del marito: quella prefazione non entrò nella pubblicazione finale.

Circola infine un racconto che vale la pena riportare proprio per dire che non regge. Vuole che Lavoisier, salito sul patibolo, si fosse accordato con un assistente per continuare a sbattere le palpebre dopo la decapitazione, così da misurare quanto a lungo la testa conservasse coscienza: l'ultimo esperimento di un uomo che aveva passato la vita a misurare. In alcune varianti l'osservatore è addirittura Lagrange. Le fonti classificano la storia come apocrifa e notano che non compare nei resoconti contemporanei della morte di Lavoisier. È un aneddoto troppo bello per essere vero, ed è istruttivo che sia sopravvissuto lo stesso: anche la storia della scienza ha i suoi miti, e resistono per la stessa ragione per cui resistono tutti, perché raccontano bene una cosa giusta.

L'impatto industriale e sociale

Quello che l'ossigeno ha prodotto non è una scoperta ma una riformulazione dell'intera disciplina, e gli storici la chiamano rivoluzione chimica. Il suo esito sono due cose insieme: la legge di conservazione della massa e la teoria della combustione basata sull'ossigeno. Fra i fattori che vi portarono, le fonti indicano anzitutto le forme di analisi gravimetrica emerse dall'alchimia e i nuovi tipi di strumenti sviluppati in ambito medico e industriale. Non fu quindi un'idea che scese dall'alto: fu quel che accade quando una disciplina impara a pesare bene e scopre che i conti non tornano.

Il lascito più duraturo di quella svolta non è una scoperta ma un vocabolario. Nel 1787 Lavoisier presentò all'accademia, insieme a Louis-Bernard Guyton de Morveau, Claude-Louis Berthollet e Antoine François de Fourcroy, un programma di riforma della nomenclatura chimica, perché a quel tempo un sistema razionale di nomi praticamente non esisteva. Il risultato, la Méthode de nomenclature chimique, introdusse un sistema legato inestricabilmente alla nuova teoria dell'ossigeno: il nome del composto doveva dire di che cosa è fatto. Lo stesso Lavoisier contribuì alla costruzione del sistema metrico e scrisse il primo elenco esteso di elementi, nel quale previde l'esistenza del silicio.

Anche il principio che di solito si attribuisce a Lavoisier senza esitare, la conservazione della massa, ha una genealogia più affollata di quanto i manuali lascino intendere. Le fonti segnalano che Michail Lomonosov aveva espresso idee simili già nel 1748 e le aveva dimostrate sperimentalmente, e che fra coloro le cui intuizioni precedono il lavoro di Lavoisier vanno annoverati anche Jean Rey, Joseph Black e Henry Cavendish. Non è una sottrazione di merito: enunciare un principio, dimostrarlo e renderlo il fondamento operativo di una disciplina sono cose diverse, e Lavoisier fece la terza. Ma è la stessa struttura che abbiamo visto per l'ossigeno, e vale la pena notarlo: nella storia della scienza la priorità è quasi sempre più affollata del racconto che se ne fa.

Anche l'attribuzione di quella rivoluzione è cambiata, e vale la pena registrarlo perché tocca il modo stesso in cui raccontiamo la scienza. Durante l'Ottocento e il Novecento la trasformazione fu accreditata al lavoro di Antoine Lavoisier, che da allora porta il titolo di padre della chimica moderna. Gli studi recenti sulla storia della chimica della prima età moderna la leggono però diversamente: come un insieme di cambiamenti graduali nella teoria e nella pratica chimica emersi nell'arco di due secoli. Le due letture non si escludono del tutto — un processo lungo può avere un momento di svolta e una persona che lo compie — ma cambiano parecchio il posto che si assegna al singolo, e questo approfondimento le riporta entrambe.

Il risultato che chiude davvero la questione non riguarda l'ossigeno ma l'aria. Nel lavoro del 1777 Lavoisier dimostrò che l'aria è una miscela di due gas: uno, che chiamò «aria vitale», essenziale alla combustione e alla respirazione, e un altro, che battezzò azote dal greco per «senza vita», che non sosteneva né l'una né l'altra. Duemila anni di aria-elemento finiscono lì, in una frase. Il secondo gas in inglese è poi diventato nitrogen, mentre il francese e diverse altre lingue europee — fra cui la nostra, con azoto — hanno conservato il nome che Lavoisier gli aveva dato.

L'errore contenuto nel nome fu smontato con precisione e con nome e data: furono chimici come Sir Humphry Davy, nel 1812, a stabilire che Lavoisier aveva torto, e l'esempio che lo dimostra è l'acido cloridrico, un acido forte che di ossigeno non ne contiene affatto. A quel punto, però, il nome era troppo saldamente stabilito per poterlo cambiare. C'è anche un dettaglio che dice molto sulle rivalità nazionali della scienza: la parola entrò nella lingua inglese nonostante l'opposizione degli scienziati inglesi e nonostante l'inglese Priestley avesse isolato il gas per primo. Il francese vinse la nomenclatura anche in casa d'altri.

Il nome che l'elemento porta è un errore fossilizzato, e la sua etimologia lo dichiara apertamente: viene dal greco oxýs, che significa acido e letteralmente «aguzzo», dal sapore degli acidi, unito al suffisso -genès, «generatore». Generatore di acidi: perché Lavoisier era convinto che ogni acido dovesse contenerlo. L'ipotesi era ragionevole, dato quel che si conosceva allora, e si rivelò sbagliata. Il nome però era già entrato in tutte le lingue d'Europa, e nessuno lo ha più tolto: l'italiano ossigeno è la traduzione fedele di una tesi che nessun chimico sostiene più.

Un secolo dopo, l'ossigeno produce una seconda contesa di priorità, questa volta misurata in giorni. Il 22 dicembre 1877 lo svizzero Raoul Pierre Pictet telegrafò all'Accademia delle scienze di Parigi annunciando di aver ottenuto ossigeno liquido, con un metodo a cascata: evaporare anidride solforosa liquida per liquefare anidride carbonica, evaporare quella per raffreddare l'ossigeno abbastanza da liquefarlo a sua volta. Appena due giorni più tardi il francese Louis Paul Cailletet annunciò un proprio metodo. In entrambi i casi si erano prodotte solo poche gocce, insufficienti per qualunque analisi seria.

La prima liquefazione in stato stabile è del 29 marzo 1883 e si deve ai polacchi Zygmunt Wróblewski e Karol Olszewski, dell'Università Jagellonica; nel 1891 lo scozzese James Dewar riuscì a produrne abbastanza da poterlo studiare. Il salto industriale arriva nel 1895, quando il tedesco Carl von Linde e il britannico William Hampson mettono a punto, in modo indipendente l'uno dall'altro, il primo processo commercialmente valido. Da lì in avanti l'ossigeno smette di essere un oggetto di laboratorio e diventa una merce: si separa dall'aria in quantità industriali, e tutto ciò che segue — la siderurgia a ossigeno, la saldatura, i razzi, gli ospedali — dipende da quella disponibilità.

L'industria che ne consuma di più è la siderurgia, ed è un uso che questo vault ha già incontrato dall'altro lato. Nel convertitore si soffia ossigeno attraverso la ghisa fusa per abbassarne il tenore di carbonio e trasformarla in acciaio dolce; il processo si chiama basico perché vi si aggiungono fondenti di ossido di calcio o dolomite, che sono basi chimiche, per rimuovere le impurità e proteggere il rivestimento. Il convertitore LD — dalle città austriache di Linz e Donawitz — fu inventato nel 1948 dall'ingegnere svizzero Robert Durrer e commercializzato fra il 1952 e il 1953: è una versione perfezionata del convertitore Bessemer in cui, al posto dell'aria, si soffia ossigeno. Tutta la differenza fra i due sta nell'aver separato dall'aria la parte che serve.

Le conseguenze economiche di quel passaggio si misurano con una cifra che vale la pena riportare per intero. Il convertitore a ossigeno ridusse il costo di capitale degli impianti e il tempo di fusione, e aumentò la produttività del lavoro; fra il 1920 e il 2000 il fabbisogno di manodopera dell'industria siderurgica è diminuito di un fattore mille, partendo da più di tre ore-uomo per tonnellata. Mille volte in ottant'anni: è il tipo di salto che spiega insieme perché l'acciaio sia diventato economico e perché le città siderurgiche si siano svuotate. L'ossigeno non ha soltanto cambiato un processo chimico, ha riscritto il rapporto fra un'industria e le persone che ci lavoravano.

L'ossigeno liquido è un liquido azzurrino trasparente, leggermente più denso dell'acqua, e fortemente paramagnetico: versato vicino a una potente calamita a ferro di cavallo, resta sospeso fra i poli. Ha un rapporto di espansione di uno a ottocentosessantuno, il che significa che un litro di liquido diventa quasi novecento litri di gas — la ragione per cui conviene trasportarlo così. Fu usato come comburente nel primo razzo a propellente liquido, inventato da Robert Goddard nel 1926, e da allora non ha mai smesso: è tuttora il comburente criogenico più comune per la propulsione spaziale, di solito in combinazione con idrogeno liquido, cherosene o metano. Nello spazio non c'è aria da cui prenderlo, e quindi bisogna portarselo.

Le controversie

L'ossigeno libero nell'atmosfera non c'è sempre stato, ed è forse il fatto meno intuitivo di tutta la sua storia. Per circa un miliardo e mezzo di anni, fra 3,85 e 2,45 miliardi di anni fa, nell'atmosfera non ce n'era praticamente affatto, e gli oceani erano in gran parte anossici. Poi cominciò a esserci, prodotto dai cianobatteri, e la sua comparsa fu un problema serio per la biosfera di allora, che era in maggioranza anaerobica: l'ossigeno libero è altamente reattivo e ossida i composti organici, a cominciare dal materiale genetico. Per gli organismi dell'epoca non era aria: era un veleno nuovo che appariva ovunque.

Il meccanismo è ricostruito con una certa precisione, ed è più lento e più cupo di come lo si riassume. I cianobatteri svilupparono la fotosintesi basata sulla clorofilla, che libera ossigeno come sottoprodotto della scissione dell'acqua; l'ossigeno prodotto in continuazione consumò via via tutta la capacità riducente della superficie terrestre — il ferro ferroso, lo zolfo, l'idrogeno solforato, il metano atmosferico — e per farlo impiegò quasi un miliardo di anni. È il motivo per cui il ferro che estraiamo oggi sta in rocce sedimentarie a bande: prima di accumularsi in atmosfera, l'ossigeno dovette finire di arrugginire il pianeta. Il cambiamento ossidativo dell'ambiente, aggravato da una glaciazione globale, devastò i tappeti microbici della superficie terrestre.

Da quella catastrofe, però, viene tutto il resto. L'adattamento successivo degli archei sopravvissuti passò per una simbiogenesi con proteobatteri aerobici — organismi capaci di usare l'ossigeno invece di subirlo — che divennero endosimbionti e poi mitocondri; e da lì, ipotizzano le fonti, potrebbe essere nata la vita eucariotica, cioè quella a cui appartengono funghi, piante e animali. Ogni cellula del corpo di chi legge contiene i discendenti di batteri che imparavano a gestire un veleno nuovo due miliardi di anni fa. La soluzione al problema dell'ossigeno non fu resistergli: fu assumere chi lo sapeva usare.

Come si fa a sapere che cosa conteneva l'aria due miliardi di anni fa, visto che non se ne conservano campioni? La comprensione scientifica di quando e come l'atmosfera terrestre sia passata da debolmente riducente a fortemente ossidante comincia in larga parte dal lavoro del geologo americano Preston Cloud, negli anni Settanta, ed è un bell'esempio di deduzione indiretta. Cloud osservò che i sedimenti detritici più antichi di circa due miliardi di anni contengono granuli di pirite, uraninite e siderite: minerali che contengono forme ridotte di ferro o di uranio e che nei sedimenti più recenti non si trovano, perché in un'atmosfera ossidante si ossidano rapidamente. Quei granuli sono sopravvissuti solo perché, quando si depositarono, non c'era ossigeno a distruggerli.

Quanto vasta sia stata quella strage è però una questione più delicata di come la si racconta di solito, compresa la nota base di questo vault, che la definisce la più vasta estinzione della storia del pianeta. La fonte consultata è più cauta e spiega perché. Si ritiene che l'evento abbia costituito un'estinzione di massa, ma la Grande Ossidazione non viene tipicamente contata negli elenchi convenzionali delle grandi estinzioni, per due motivi: la enorme difficoltà di censire l'abbondanza di organismi microscopici e l'età estrema dei resti fossili di quel periodo. A questo si aggiunge che quegli elenchi sono implicitamente limitati al Fanerozoico, cioè agli ultimi cinquecento milioni di anni, e quindi escludono per costruzione tutto ciò che è successo prima. Quel che si può dire con qualche solidità viene dalla geochimica degli isotopi nei minerali solfatici, interpretata come indicazione di una riduzione della biosfera superiore all'ottanta per cento.

Che l'ossigeno sia tossico non è una provocazione retorica ma una condizione clinica con un nome proprio e due eponimi. Respirato a pressioni parziali elevate provoca danno cellulare e, nei casi gravi, morte; gli effetti si vedono soprattutto nel sistema nervoso centrale, nei polmoni e negli occhi. Storicamente la forma nervosa è stata chiamata effetto Paul Bert e quella polmonare effetto Lorrain Smith, dai ricercatori che le descrissero per primi alla fine dell'Ottocento. Riguarda tre categorie precise: i subacquei, i pazienti che ricevono ossigeno supplementare ad alte concentrazioni e chi si sottopone a ossigenoterapia iperbarica. È lo stesso paradosso incontrato con il ferro e con il mercurio: la sostanza che tiene in vita e quella che avvelena sono la stessa, e a separarle c'è solo una quantità.

C'è un modo in cui la carenza di ossigeno diventa particolarmente insidiosa, e la pandemia lo ha reso noto a molti: l'ipossia silenziosa, chiamata anche ipossia felice. È una carenza generalizzata di ossigeno che non si accompagna a fame d'aria: il paziente ha valori gravemente bassi e non si sente mancare il respiro, quindi non chiede aiuto. È stata riconosciuta come complicanza della COVID-19, ma non è una novità di quella malattia: si conosce anche nella polmonite deambulante, nel mal di montagna e nelle immersioni con autorespiratore a circuito chiuso. Il corpo umano, contrariamente a quanto si crede, non ha un sensore diretto per l'ossigeno che manca: reagisce soprattutto all'anidride carbonica che si accumula, e quando i due segnali si scollegano l'allarme non suona.

Il danno però non viene solo dalle dosi eccessive: una quota nasce dal normale metabolismo. Dall'ossigeno molecolare, dall'acqua e dall'acqua ossigenata si formano sostanze chiamate specie reattive dell'ossigeno — il superossido, il radicale ossidrile, l'ossigeno di singoletto, il radicale idroperossile — e sono ovunque, proprio perché si producono facilmente dall'ossigeno, che è abbondante. La cosa interessante è che la biologia non le tratta solo come scorie: le fonti registrano che funzionano da segnali cellulari e da intermedi nel comportamento redox dell'ossigeno, oltre a incidere sul processo di invecchiamento. Non sono un difetto del sistema: sono una parte del sistema, che il sistema deve tenere sotto controllo.

C'è un modo di guardare la respirazione che rende evidente perché l'ossigeno stia al centro di tutto. Tecnicamente, dicono le fonti, la respirazione cellulare è una reazione di combustione: gli stessi reagenti e gli stessi prodotti di una fiamma. È però una combustione insolita, per il rilascio lento e controllato dell'energia lungo una serie di passaggi invece che in un colpo solo. Una cellula, in sostanza, brucia zucchero senza prendere fuoco, e ci riesce spezzettando la reazione in decine di tappe ciascuna delle quali cede un poco di energia a un vettore chimico, l'ATP.

Su quanta energia se ne ricavi, però, i manuali dicono una cosa e i conti un'altra, ed è una discrepanza che vale la pena riportare perché riguarda un numero che moltissimi ricordano da scuola. I libri di biologia affermano spesso che si producono trentotto molecole di ATP per ogni molecola di glucosio ossidata: due dalla glicolisi, due dal ciclo di Krebs, circa trentaquattro dalla catena di trasporto degli elettroni. Quella resa massima, annotano le stesse fonti, non viene però mai raggiunta del tutto, per le perdite dovute alle membrane e per il costo di trasportare piruvato e ADP dentro la matrice mitocondriale; le stime correnti si collocano intorno a ventinove o trenta, e altre tabelle danno trenta o trentadue. Il trentotto dei manuali è un massimo teorico che la cellula non tocca mai.

L'eredità contemporanea

Anche la seconda forma dell'ossigeno ha la sua contesa di priorità, con lo stesso schema della prima. Nel 1785 il chimico olandese Martinus van Marum, facendo scoccare scintille elettriche sopra dell'acqua, notò un odore insolito e lo attribuì alle reazioni elettriche, senza rendersi conto di aver prodotto ozono. Mezzo secolo più tardi Christian Friedrich Schönbein notò lo stesso odore pungente e lo riconobbe come quello che segue spesso un fulmine; nel 1839 riuscì a isolare il gas e lo chiamò ozone, dal greco ozein, «puzzare». Per questa ragione la scoperta è generalmente attribuita a lui. Ancora una volta: chi produce una sostanza senza capirla non la scopre, e chi le dà il nome se la porta a casa.

La seconda forma dell'ossigeno, quella a tre atomi, ha avuto nel Novecento una carriera politica: è finita dentro un trattato internazionale. L'ozono stratosferico assorbe la parte più energetica della radiazione ultravioletta, e la sua riduzione per opera di sostanze di sintesi — i clorofluorocarburi, usati in refrigerazione e nelle bombolette — è diventata negli anni Ottanta un problema ambientale globale. La molecola è la stessa che al livello del suolo è un inquinante aggressivo per polmoni e foglie: non è buona in alto e cattiva in basso, fa la stessa cosa nei due posti, cioè reagire con quello che trova. Cambia solo che cosa trova.

La risposta a quel problema è il documento che segue, ed è una storia che vale la pena raccontare accanto a quelle meno consolanti di questo vault. Il Protocollo di Montreal fu firmato il 16 settembre 1987 ed entrò in vigore il primo gennaio 1989; oggi è stato ratificato da centonovantotto parti, centonovantasette stati più l'Unione Europea, il che ne fa il primo trattato universalmente ratificato nella storia delle Nazioni Unite. Il mondo ha eliminato il novantotto per cento delle sostanze lesive dell'ozono contenute in quasi cento prodotti chimici pericolosi, e ogni paese risulta in regola con gli obblighi. L'ex segretario generale Kofi Annan lo ha definito forse il singolo accordo internazionale di maggior successo mai raggiunto.

L'esito, che è la parte che di solito manca nei racconti sull'ambiente, si misura in anni e in previsioni. Come risultato del protocollo il buco dell'ozono sopra l'Antartide si sta lentamente riprendendo, e le proiezioni indicano che lo strato tornerà ai livelli del 1980 intorno al 2040 su gran parte del mondo e intorno al 2066 sull'Antartide. Sono tempi lunghi, e dicono due cose insieme: che il danno chimico all'atmosfera ha un'inerzia di decenni, e che quando si smette davvero di produrre la sostanza responsabile il sistema si ripara. Il secondo punto non è scontato, ed è il motivo per cui questa vicenda viene citata ogni volta che si discute di clima.

Sul piano biologico l'ossigeno è al centro di due reazioni che sono l'una l'inversa dell'altra e che insieme tengono in moto la biosfera. La fotosintesi usa l'energia della luce per scindere l'acqua e costruire zuccheri dall'anidride carbonica, liberando ossigeno come sottoprodotto; la respirazione cellulare fa il percorso contrario, usando l'ossigeno per demolire quegli stessi zuccheri e ricavarne energia, e restituendo acqua e anidride carbonica. Non è un equilibrio statico ma un ciclo alimentato dal sole: l'ossigeno che respiriamo viene dalla scissione dell'acqua operata da organismi fotosintetici, e a loro torna sotto forma di anidride carbonica.

In medicina l'ossigeno è a tutti gli effetti un farmaco, con indicazioni, dosaggi e controindicazioni: si somministra per correggere l'ipossia, e come ogni farmaco ha una finestra terapeutica oltre la quale fa danno. La sua catena di fornitura, però, è insolita per un medicinale, perché la materia prima è l'aria e l'impianto che la separa è grande come una fabbrica. È il motivo per cui, quando la domanda cresce improvvisamente, non basta produrre di più: servono bombole, camion, valvole e personale, cioè una logistica che non si improvvisa.

Il modo in cui oggi si ottiene l'ossigeno è, a pensarci, il rovesciamento esatto del problema settecentesco. Scheele e Priestley dovevano fabbricarlo scaldando ossido di mercurio; l'industria moderna lo estrae dall'aria per distillazione frazionata, raffreddandola fino a liquefarla e poi separando i componenti alle rispettive temperature di ebollizione. Dallo stesso impianto escono azoto e argon, e — con almeno due colonne di distillazione — i gas rari neon, kripton e xeno, per i quali quella è di fatto l'unica fonte praticabile; si recupera anche elio. Da sostanza da produrre con una reazione chimica, l'ossigeno è diventato una sostanza da separare per via fisica da ciò che ci circonda.

La conferma che l'ossigeno sia a tutti gli effetti un medicinale, e non un presidio ambientale, sta in due fatti. Il primo è cronologico: l'uso medico dell'ossigeno si diffuse intorno al 1917 ed è oggi il trattamento ospedaliero più comune del mondo sviluppato. Il secondo è formale: l'Organizzazione Mondiale della Sanità lo include nel proprio elenco dei farmaci essenziali. Comparirvi significa essere considerato indispensabile, non semplicemente utile. È anche il motivo per cui la sua indisponibilità conta come un'emergenza sanitaria e non come un disservizio logistico: quando manca l'ossigeno in un ospedale manca un farmaco salvavita, con la differenza che questo non si può stoccare in una scatola su uno scaffale.

Di tutta questa storia resta una lezione che riguarda meno la chimica e più il modo in cui la conoscenza si forma. Tre uomini ottennero lo stesso gas in tre paesi nel giro di tre anni, e ciascuno ne fece qualcosa di diverso: uno lo isolò e non seppe come dirlo, uno lo pubblicò e lo interpretò male fino alla fine, uno lo capì e gli diede un nome sbagliato che usiamo ancora. Nessuno dei tre ebbe una vita tranquilla: uno morì a quarantatré anni avvelenato dalle sostanze che studiava, uno vide bruciarsi la casa da una folla e dovette lasciare il paese, uno finì sotto la ghigliottina. E la sostanza per cui si contendevano il merito era già lì da due miliardi di anni, prodotta da batteri che l'avevano scaricata nell'aria come rifiuto, uccidendo quasi tutto quello che allora era vivo.