I laboratori di chimica a Giessen.
Del complesso dei laboratori chimici di Justus von Liebig a Giessen, trasformati dal 1920 in uno dei più interessanti musei scientifici del mondo, si rimane colpiti dalle dimensioni, dalla ricchezza di strumenti e apparecchiature. Il museo conserva quasi intatto l’Istituto di Chimica, dove Liebig svolse la sua attività di docente e scienziato dal 1825 al 1852. È una struttura unica, sopravvissuta fino ai nostri giorni. In quei locali e laboratori generazioni di chimici provenienti da tutta Europa e perfino dagli Stati Uniti si sono formati sotto la guida di un grande insegnante. Liebig insegnò in seguito anche a Monaco di Baviera. Al Deutsches Museum di questa città gli è stato dedicato uno spazio importante. Vi è ricostruito il suo laboratorio a dimensioni reali. Ma tra i tanti “oggetti” che riempiono lo spazio dei suoi laboratori, in entrambi i musei sono due quelli che il visitatore percepisce i più importanti. Uno è l’apparato per l’analisi delle sostanze organiche, l’altro è l’apparato per la distillazione. In entrambi vi è un particolare che li rende originali. Nel primo è il Kalium-apparat per l’assorbimento della anidride carbonica, nell’altro è il condensatore in contro corrente nella distillazione.
Al centro del tavolo il “condensatore di Liebig” nell’ antico laboratorio di Giessen
Ma se la paternità del Kalium-apparat è di Liebig, il condensatore, che porta il suo nome, non è una sua invenzione. Il suo merito è di averlo fatto diventare uno strumento di routine, prezioso nell’analisi di laboratorio.
A chi si deve attribuire l’invenzione del condensatore in contro corrente?
È nel 1771 che viene pubblicata una dissertazione di un giovane medico Christian Ehrenfried Weigel, poco più che ventenne, per la sua laurea in medicina. È scritta in latino:
Nel contenuto di poche pagine è la presentazione di un apparecchio per la distillazione con il raffreddamento dei vapori ottenuto mediante un condensatore che opera in contro corrente. È allegato un disegno esplicativo. Prima di entrare in dettaglio nel capitolo vediamo una breve biografia dell’autore.
La biografia di Christian Ehrenfried Weigel
Christian Ehrenfried Weigel nacque nel 1748 nella Pomerania svedese; benché di lingua e cultura tedesche, era dunque suddito svedese. Il padre era un medico con interessi per la chimica farmaceutica, inventore di un preparato noto come “gocce di Weigel” (un rimedio contro i parassiti intestinali); anche lo zio materno era un medico.
Compì i suoi studi, prima all’università di Greifswald, dove seguì corsi di botanica, chimica e anatomia, poi a Gottinga dove ottenne il dottorato in medicina. Per tutta la sua vita ha ricoperto la cattedra di chimica e farmacia alla facoltà di medicina all’università di Greifswald, dove fu lettore per molti anni anche del giardino botanico. Scrisse uno dei primi testi di chimica “Cenni di chimica pura e applicata” che era indirizzato ai lettori di tutte le classi. Weigel fece molto anche per i chimici tedeschi favorendo il loro aggiornamento sugli sviluppi della chimica attraverso le sue traduzioni di opere di Wallerius, Guyton de Morveau, Lavoisier e altri. Nel 1806 fu nobilitato dall’imperatore Francesco II e due anni dopo divenne il medico personale della casa reale svedese. Fu membro delle accademie scientifiche di Erfurt e Berlino, nonché dell’Accademia leopoldina e dell’Accademia di Svezia. Ha lasciato anche importanti contributi nel campo della botanica. Era un appassionato naturalista, e ha un intero genere a lui intitolato: Weigela, un tipo di pianta “arbustiva” dell’Asia orientale, della famiglia dei caprifogli.
Christian von Weigel ha scritto oltre 76 libri scientifici in lingua tedesca, l’unico scritto in latino è la sua tesi. È probabile che la tradizione dello studio universitario, essendo questa la dissertazione da lui tenuta per la laurea, richiedesse la lingua latina. Senza dubbio la lingua con cui fu scritto il lavoro di Weigel non favorì la sua diffusione. Inoltre la traduzione dal latino del testo presenta alcune difficoltà, perché questa lingua è stata usata per esprimere contenuti tecnici che non appartenevano al lessico di una lingua antica.
Una interpretazione errata
È possibile che questa sia anche la ragione che ha portato ad una interpretazione fuorviante, come vedremo di seguito, dell’apparecchio di Weigel da parte del Prof. William B. Jensen della University of Cincinnati.
In un articolo apparso nella prestigiosa rivista Journal of Chemical Education, vol.83, 2006 della Società Chimica Americana dal titolo “The Origin of the Liebig Condenser“ descrive il condensatore di Weigel così:
«Nel progetto originale di Weigel, l’acqua di raffreddamento era confinata tra un tubo interno ed esterno di stagno o zinco e il tubo di distillazione in vetro non entrava in contatto diretto con l’acqua di raffreddamento ma era piuttosto sospeso all’interno del tubo metallico interno… [in grassetto del traduttore]. Nel caso di Liebig, questi [le modifiche N.d.T.] consistevano apparentemente nell’eliminare il tubo metallico interno e restringere la camicia di raffreddamento a ciascuna estremità in modo che il tubo di distillazione in vetro potesse essere sigillato direttamente alla camicia metallica esterna per mezzo di tappi o sezioni di tubo di gomma, consentendo così al tubo di distillazione di entrare in contatto diretto con l’acqua di raffreddamento…»
Purtroppo l’inesattezza del Prof. Jensen si è disseminata. Wikipedia, l’enciclopedia on-line, alla voce” Liebig condenser”, riporta il seguente passaggio:
«Il primo condensatore da laboratorio raffreddato ad acqua fu inventato nel 1771 dal chimico svedese – tedesco Christian Weigel (1748–1831). Il condensatore di Weigel era costituito da due tubi di stagno coassiali, che erano uniti alle loro estremità inferiori, formando una camicia d’acqua, e aperti alle loro estremità superiori. L’acqua fredda è entrata nella giacca attraverso un ingresso nella parte inferiore ed è fuoriuscita dall’estremità superiore aperta della giacca. Un tubo di vetro che trasporta i vapori da un pallone di distillazione è fatto passare attraverso il tubo interno di stagno.»
Un sito in lingua inglese, che promuove il superalcolico Rum, riporta la biografia di Weigel allineandosi alle interpretazioni precedenti:
«Il condensatore di Weigel era costituito da due tubi di stagno coassiali, che erano uniti alle loro estremità inferiori e aperti alle loro estremità superiori. L’acqua fredda è entrata, attraverso un ingresso, nell’estremità inferiore di questa camicia ed è fuoriuscita dall’estremità superiore aperta della camicia. Un tubo di vetro che trasporta i vapori da un pallone di distillazione è fatto passare attraverso il tubo interno di stagno, non a contatto con l’acqua di raffreddamento.»
I dubbi sull’interpretazione
Devo dire che l’interpretazione data da Jensen mi ha lasciato qualche dubbio, così ho cercato in rete la dissertazione di Weigel, trovando il libro disponibile. Il grosso ostacolo della lingua è stato superato da due insigni latinisti aretini, che insieme hanno perfezionato la traduzione:
Prof. Claudio Santori, Vice Presidente e Segretario della Classe di Lettere dell’Accademia Petrarca e Don Natale Gabrielli, Priore della Pieve di San Polo e responsabile della Biblioteca antica e dell’Archivio del Seminario Vescovile di Arezzo.
Le loro traduzioni, di cui riporto i passaggi più significativi, non lasciano dubbi di interpretazione.
Il contenuto della dissertazione di Wiegel è una lucida e puntuale analisi della tecnica della distillazione impiegata fino allora a cui segue una proposta rivoluzionaria, per il suo aspetto moderno, per superare gli inconvenienti. La padronanza che mostra nel discutere di questa tecnica, malgrado la sua giovane età e la condizione di studente, ci induce a pensare che sia frutto della frequentazione del laboratorio di chimica farmaceutica del padre e dello zio, da cui ricevette l’educazione pre universitaria. Era necessario riabilitare questo valente scienziato e rimettere il suo pensiero nell’ottica corretta, perché l’interpretazione che fa Jensen dell’apparecchio di Weigel declassa quest’ultimo ad una bizzarra rappresentazione.
La tesi di laurea
Nella prima parte della sua dissertazione Weigel fa una disamina della tecnica della distillazione allora impiegata, in particolare l’aspetto che riguarda il raffreddamento dei vapori. Come si evince dal suo titolo lo scopo è ottenere alcol a elevato grado di purezza, alcohol fortissimum”, dopo ripetute distillazioni, repetita rectificatione, partendo da liquidi a basso contenuto alcolico, come il vino.
Individua i problemi che derivano dall’uso dei condotti del vapore lineari o a forma di serpentina:
“Potuissem breuiorem tubulum eligere, illumque per vas refrigeratorium ducere, methodo vulgari; sic potuissem destillare absque tanta temporis iactura. Sed Imo Tubuli vulgari methodo, oblique quidem, attamen linea recta, per dolium refrigeratorium ducti, mediocri tantum refrigerant gradu; qui vero serpentino modo per dolia refrigeratoria ducti, non nisi ex cupro parari possunt, nec decenter expurgari ob structuram suam m; unde Spiritus Vini aut venerea labe inficitur aut foetidus facile euadit a partibus impuris antecedentis destillationis.”
(“Avrei potuto scegliere un tubicino più corto, e farlo passare attraverso una botte di raffreddamento, secondo il metodo comune; avrei potuto così distillare in meno tempo. Ma in primo luogo i tubicini fatti passare, secondo il metodo comune, obliquamente, comunque in modo rettilineo, raffreddano lentamente; quelli che usano passare le serpentine attraverso una botte di raffreddamento, possono essere fatte solo di rame e non possono essere pulite in modo appropriato a causa della loro struttura; per cui lo spirito di vino rimane danneggiato o prende facilmente un odore cattivo per via delle impurità delle precedenti distillazioni.)
Gli apparecchi per la distillazione, nota Weigel, producono perdite di vapori:
“2do Nec in usu esse solet recipiens vas vitreum tubo applicare et ope vesicae adglutinare, sed solent supponere excipulum, eique imponere infundibulum, quod intrat spiritus ex tubulo profluens, quando ad instar calami straminei profluit. Coguntur ad id faciendum, quia praeuident periculum displofionis vasorum a spiritu non sufficienter refrigerato, alioquin oriundum. Qua vero methodo copiam vaporum spirituosorum in auras auolare vix mentione eget.”
(“In secondo luogo non è abitudine di applicare un vaso di vetro al tubicino (per raccogliere il condensato) e fissarlo, ma è consuetudine collocare sotto al tubicino un recipiente provvisto di imbuto, nel quale entra lo spirito uscente dal tubicino. Si è costretti a fare così in quanto si previene il pericolo della rottura dei vasi di raccolta a causa dello spirito non sufficientemente raffreddato. È evidente che con questo metodo molti vapori di spirito si disperdono nell’aria.”)
Il problema della refrigerazione, lo spazio utilizzato, la quantità di acqua e la manodopera:
“3tio Vulgare vas refrigeratorium, scilicet sufficientis capacitatis, magnum occupat spatium, quare in boratoriis minoribus maxime incommodum est instruzmentum. Requiritur insuper saepissime ministri praesentia in laboratorio, cum ad aquam vase refrigeratorio contentam agitandam, eum scilicet in finem, ut superior frigidior cum inferiore calefacta misceatur, tum ad refrigeratorium euacuandum et denuo aqua frigida replendum; unde etiam istud emergit incommodum, quod laboratorium claudere nunquam liceat. Demum notetur, non semper aequalem effectum per vulgare vas refrigeratorium obtineri posse; breui nimirum ante repetitam repletionem aqua refrigeratorii tepida euafit, hinc impotens, quae sufficienti gradu refrigeretur.”
(“In terzo luogo la botte refrigerante comune, cioè di sufficiente capacità, occupa un grande spazio per i piccoli laboratori, è uno strumento di grande incomodo. Si richiede inoltre molto spesso la presenza di un operatore nel laboratorio, sia per muovere l’acqua contenuta nella botte refrigerante perché quella più fredda che sta di sopra sia mescolata con quella più calda che sta di sotto, sia per svuotare il refrigeratorio e successivamente riempirlo con nuova acqua: donde emerge l’altro incomodo di non poter mai chiudere il laboratorio. Va infine notato che con la normale botte refrigerante non è possibile ottenere l’effetto sempre uguale; certamente presto, prima del rinnovato riempimento, l’acqua del refrigeratore risulta tiepida e quindi non possa refrigerare a dovere.)
Dopo questa analisi offre una soluzione.
“Bona igitur, rectaque via excogitata ad incommoda adducta remouenda, quam experientia comprobatam exponemus.”
(“È stata dunque concepita una via migliore e corretta, per eliminare gli inconvenienti appena citati, che andiamo ad esporre, convalidata dall’esperienza”.)
La frase convalidata dall’esperienza fa pensare che fosse stata già impiegata la via migliore nel laboratorio di famiglia, condotto dal padre e dallo zio. In un altro passo della dissertazione infatti si esprime:
“Saepius in Parentis, maxima pietate colendi, laboratorio institui, hanc circa rem, experimenta, instrumentorumque ad hanc rem idoneorum imagines in charta delineaui, …”
(“Spesse volte ho condotto esperimenti su questa materia nel laboratorio del Padre, sempre venerando, e ho tracciato su carta figure di strumenti idonei a questa tecnica …”)
La parte fondamentale della sua proposta è arricchita da una immagine dell’apparecchio, con la sua descrizione.
“…Cadit aqua in infundibulum c. Infundibulum hoc intrat canalem d. (Fig. 2), cuius subftantia est bractea ferrea stanno obducta, figurae cylindricae, diametri foraminis circiter tres quartas partes digiti transuersi aequantis, longitudinis tantae, ut eius superius orificium, quod intrat infundibulum c. circiter 2, 3, 4 digitos altius sit punctis inter h. et g. possibilibus. Nunc concipias tibi tubum e. f. g. h. eiusdem Figurae tubum a. b. ambientem (Fig. 2). Tubus hic paratus ebractea ferri stanno obducta figurae cylindraceae tantae diametri, ut ubique inter binos memoratos tubos maneat spatium tertiae partis vel dimidii digiti transuersi; longitudinis duorum pedum. Inferne ab e. ad f. clauditur hic capacior tubus per bracteam transuerse afferruminatur, medio duntaxat perforatam, pro transmittendo tubulo a. b. cui quoque firmiter afferruminatur, nulla relicta apertura. Tubuli d. inferius foramen, tubo dicto e. f. g. h. afferruminatum est antea facto foramini in tubulo hoc maiori. Ergo aqua fluens e tubo d. defluet in tubum e. f. g. h., illumque replebit, et tubum a. b. in medio fitum ambiet, quem tamen nunquam intrare valet, sed duntaxat refrigerabit, si fuerit calidus. E tubulo e. f. g.h. aqua perpetuo affluens perpetuo effluit per superius foramen apertum, quia locus inter g. et h. inferius situs quam suprema pars tubi d. …”
(… L’acqua cade nell’imbuto c. Questo imbuto entra nel canale d. (Fig. 2), la cui composizione è lamina di ferro coperta di stagno, di forma cilindrica, col diametro del foro di circa tre quarti di indice, di lunghezza tale che il suo orifizio superiore, dove entra l’imbuto c. sia 2,3, 4 dita più alto rispetto al livello dei punti h. e g.
Ora prendi il tubo e.f.g.h. che nella stessa figura circonda il tubo a.b. Questo tubo, fatto di lamina di ferro, coperta di stagno, di forma cilindrica, sia di diametro tale che tra i due suddetti tubi rimanga lo spazio di un terzo o metà indice; di lunghezza due piedi.
All’estremità da e. a f. questo tubo più grande è chiuso mediante una lamina saldata per traverso, forata nel mezzo, per inserirvi il tubo più piccolo a.b. al quale è fermamente saldata senza che sia lasciata alcuna apertura.
Il foro inferiore del tubicino d. è saldato al detto tubo e.f.g.h. dopo aver praticato prima un foro in questo tubo più grande.)
La descrizione che ci fa Weigel è chiara. Sono due tubi concentrici. L’ estremità dell’apparecchio è chiusa da una lamina, con un foro che lascia passare il tubo più piccolo. In questa estremità, nella parte superiore del tubo più grande è praticato un foro dove è inserito il gambo dell’imbuto.
“Ergo aqua fluens e tubo d. defluet in tubum e.f.g.h., illumque replebit, et tubum a.b. in medio fitum ambiet, quem tamen nunquam intrare valet, sed duntaxat refrigerabit, si fuerit calidus. E tubulo e.f.g.h. aqua perpetuo affluens perpetuo effluit per superius foramen apertum, quia locus inter g. et h. inferius situs quam suprema pars tubi d.”
(Dunque l’acqua che fluisce dal tubo d. defluirà nel tubo e.f.g.h. e lo riempirà, e circonderà il tubo a.b. posto nel mezzo, nel quale tuttavia non può entrare ma naturalmente lo raffredderà se sarà caldo. Nel tubo e.f.g.h. l’acqua scorre continuamente, alimentata in modo continuo attraverso il foro aperto sopra, perché la quota di g. e h. è posta al di sotto della parte più alta del tubo d.)
“Ut eo melius mentem meam capiat confideret Figuram 4, quae sere vera magnitudine exit faciem extremitatis superioris, tubi capacioris e.f.g.h., ho scilicet quae inter h. et g. continetur, et adspicitur si oculus in b. sit conftitutus. In hac Figura 4, minimus circulus est tubus a.b. (Fig. 2) quasi sectus confideratus; medius circulus quasi sectum repraesentat tubum e.f.g.h. (Fig. 2). Inter hos binos circulos conspiciuntur tria spatia minora z.z.z. umbra notata, quae significant binos tubulos ibi connecti per intermedias tres bracteclas adferruminatas; sed duntaxat in hac extremitate, non vero per totam longitudinem tubi e.f.g.h. Spatia y.y.y. significant spatium inter binos tubulos (a.b. et e.f.g.h. Fig. 2) intermedium. Repletur hoc spatium aqua refrigerante perpetuo affluente, et per has aperturas perpetuo frigide effluente in canalem infundibulo instructum l.m., e quo defluit (Fig.5) per pavimentum laboratorii (cuius superficiem determinat linea horizontalis n.o. in canalem ligneum p.q. (Fig.6) per quem continuatum laboratorium ab omni aqua refrigeratoria affluente liberatur…”
La sezione
(Affinché si comprenda meglio il mio pensiero, consideriamo la Figura 4 che mostra nella sua reale proporzione la faccia dell’estremità superiore del tubo più grande e.f.g.h., ossia la faccia
dell’estremità superiore del tubo più grande che sta tra h. ed g. e si vede bene se si fissa l’occhio in b. (Fig.2) considerato come sezionato; il tubo medio rappresenta il tubo e.f.g.h. come sezionato. Tra questi due tubi si osservano tre aree minori z.z.z. indicati in scuro, che rappresentano tre lamine di ferro che connettono i due tubi; ma soltanto in questa estremità, ma non per tutta la lunghezza del tubo e.f.g.h. Gli spazi y.y.y. significano lo spazio intermedio tra i due tubi (a.b.; e.f.g.h. Fig.2). Questo spazio è riempito di acqua refrigerante che scorre continuamente, e per questa apertura esce scorrendo nel canale fornito di imbuto l.m., dal quale defluisce attraverso il pavimento del laboratorio nel canale di legno p.q. …)
Alla fine l’autore conclude elencando i pregi del condensatore in contro corrente, tra cui:
- Lo spazio del laboratorio non è ristretto a causa del vaso di refrigerazione
- Si ottiene il massimo grado di refrigerazione
- Non si hanno perdite dei vapori di alcol
- Il lavoro viene condotto senza dover temere alcun pericolo di incendio
- Si risparmia energia e tempo
Il capitolo riporta un secondo disegno dell’apparecchio più realistico. Da notare la grande somiglianza con l’apparecchio del laboratorio di Liebig.
La scoperta di Weigel è relativamente recente da parte della storiografia chimica. L’apparecchio di Weigel è citato nel libro di Hermann Schelenz “Zur Geschichte der pharmazeutischchemischen Destilliergeräte” (Sulla storia degli alambicchi chimico-farmaceutici) del 1911, quasi centocinquanta anni dopo la sua invenzione. Schelenz dedica poche righe all’apparecchio di Weigel, di cui riporta l’immagine. Tuttavia dalla sua breve descrizione non è chiara la struttura del condensatore. La geniale intuizione di Weigel del condensatore in contro corrente venne concepita mezzo secolo prima del “condensatore di Liebig “. Non è noto se il lavoro di Christian Ehrenfried Weigel ispirò altri o passò inosservato. È certo che il suo nome non fu per molto tempo legato alla sua invenzione. Liebig, così come altri chimici del suo livello della prima metà dell’ottocento, che usavano quotidianamente la distillazione con condensatore in contro corrente nei loro laboratori, non citano mai il nome del suo inventore.
La lunga e affascinante storia della condensazione dei vapori nella distillazione fino alla invenzione della tecnica in contro corrente è descritta nell’articolo al seguente indirizzo:
https://www.robertopoetichimica.it/la-storia-del-condensatore-ad-acqua-nella-distillazione/
Bibliografia
- Christian Ehrenfried Weigel, Observationes Chemicae Et Mineralogicae , Gottinga 1771
- https://it.qaz.wiki/wiki/Liebig_condenser
- https://www.yumpu.com/en/document/read/10599709/ask-the-historianpdf-university-of-cincinnati
- Chemical Educ., 2006, 83, 23.
- Hermann Schelenz, Zur Geschichte der pharmazeutischchemischen Destilliergeräte, Berlin 1911
