La Tavola Periodica degli Elementi: 150 anni e non sentirli

Che vincere la materia è comprenderla, e comprendere la materia è necessario per comprendere l'universo e noi stessi: e che quindi il Sistema Periodico di Mendeleev, che proprio in quelle settimane imparavamo laboriosamente a dipanare, era una poesia, più alta e più solenne di tutte le poesie digerite in liceo: a pensarci bene, aveva perfino le rime!

[Primo Levi - Il Sistema Periodico] 

Il 2019 sarà, secondo l'UNESCO, l'anno internazionale della Tavola Periodica, strumento importantissimo, incubo degli studenti e, incredibilmente, fenomeno pop che ha avuto, negli anni, innumerevoli rivisitazioni, da quella in tema Star Wars a quella dedicata alla birra.
Eppure è un'invenzione piuttosto recente: solo 150 anni da quando il chimico russo Dimitri Ivanovich Mendeleev la presentò ufficialmente alla Russian Chemical Society, con solo 63 elementi e un sacco di spazi vuoti che aspettavano di essere riempiti.

Le Affinità Elettive

Nel XVIII secolo i primi tentativi di dare ordine agli elementi chimici si basavano più che altro sulla loro reattività e su una serie di coincidenze matematiche.

Le Tavole di affinità, molto diffuse all'epoca, ordinavano gli elementi che reagivano fra loro in liste verticali: elementi con maggiore affinità fra loro venivano posti sulla parte alta della tavola, mentre elementi con affinità minore, e che quindi reagivano meno fra loro, venivano posizionati in basso.

Nonostante non riuscissero a essere realmente efficaci, né tantomeno predittive, rimasero così popolari che prendendo spunto dal principio di affinità lo scrittore tedesco Goethe scrisse uno dei suoi romanzi più belli e famosi: Le Affinità Elettive.

All'inizio dell'800 molti chimici, invece, notarono che era possibile raggruppare in gruppi gli elementi in base a operazioni matematiche:  il chimico tedesco Wolfgang Döbereiner notò come prendendo tre elementi (Litio, Sodio, Potassio ad esempio) il peso atomico di quello centrale era la media aritmetica del peso atomico degli altri due.

Altri superarono questo concetto cercando di organizzare gli elementi in veri e propri sistemi periodici fino a Julius Lothar Meyer che possiamo considerare il precursore di Mendeleev: Meyer aveva notato che, se si tracciava un grafico dei volumi atomici degli elementi in funzione dei pesi atomici, si otteneva una serie di onde che formavano vertici appuntiti in corrispondenza dei metalli alcalini (sodio, potassio, rubidio e cesio). La distanza tra due vertici consecutivi corrispondeva a un periodo della tavola degli elementi e in ogni periodo, oltre al volume atomico, subiva un'oscillazione anche un certo numero di altre proprietà fisiche. 

Un sistema che guarda al futuro

La grande idea venne a Mendeleev mentre sistemava le sue carte per la stesura di un libro di testo, Principi di Chimica. Preparò quindi 63 tavole, una per ogni elemento allora conosciuto, in cui elencava tutte le sue caratteristiche e proprietà, ma quando li ordinò per numero atomico crescente si accorse che queste proprietà non erano casuali, ma seguivano un certo ordine, ripetendosi periodicamente.

La Tavola Periodica originale di Mendeleev

C'è un motivo per cui, fra tutti i tentativi di dare ordine fra gli elementi chimici, quello di Mendeleev è stato il più importante e "definitivo": non si limitò, infatti, a ordinarli in ordine di numero atomico crescente, ma lasciò degli spazi vuoti, spazi per nuovi elementi ancora da scoprire, di cui fu in grado di prevedere numero atomico e proprietà chimico-fisiche con sorprendente accuratezza.

Sta qui la genialità la bellezza della Tavola Periodica ideata da Mendeleev.

Pochi anni dopo la presentazione ufficiale, furono scoperti tre nuovi elementi, Scandio Gallio e Germanio, le cui proprietà erano incredibilmente simili a quelle ipotizzate da Mendeleev.

Dal 1869 a oggi

Dopo lo Scandio, il Gallio e il Germanio, fra il 1885 e il 1890 si aggiunse alla Tavola Periodica una colonna a destra: erano i Gas Nobili (Elio, Neon, Argon e Radon). 

Lo sviluppo della meccanica quantistica rese evidente che ogni riga (periodo) corrispondeva al riempimento di livelli energetici che condividevano il numero quantico principale.

Minerale di Uranio

Nel 1905, Alfred Werner propose un modello esteso di tavola periodica su 32 colonne, in cui i lantanidi, gli attinidi e gli elementi di transizione erano inseriti fra il 2º e il 3º gruppo di Mendeleev.  Paul Pfeiffer nel 1920, tornò a una tavola a 18 colonne, come si rappresenta tuttora, mettendo i lantanidi e gli attinidi su di un unico rigo sottostante.

Poi fu la volta del Plutonio, sintetizzato nel 1943 dal chimico statunitense Glenn Seaborg, che ricevette per questo (e per il suo lavoro sulla teoria degli orbitali f) il premio Nobel.

L'ultimo degli elementi presente in natura è il Californio, di numero atomico 98, rinvenuto in piccolissime tracce dovute al decadimento radioattivo dell'Uranio, tuttavia la Tavola Periodica continua e nel 2016 sono stati ufficialmente inseriti dalla IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) il Nihonio, il Moscovio, il Tennesso e l’Oganesson (numero atomico 113, 115, 117 e 118), anche se di questi elementi non si conoscono le proprietà che potrebbero essere molto diverse da quelle prevedibili, a causa di effetti relativistici. 

L'ultimo elemento di cui si conoscono le proprietà chimico-fisiche è l'Hassio, con numero atomico 108, sintetizzato per la prima volta nel 1984 da un gruppo di ricerca tedesco. 

Verso l'infinito e oltre

Nel 1911 si ipotizzò che elementi con numero atomico superiore a 100 non potessero esistere. Naturalmente ora sappiamo che questo non è vero, ma il dibattito sul limite della Tavola Periodica è ancora aperto: il fisico Richard Feynman sosteneva che elementi con numero atomico 173 non potessero esistere poiché il loro primo elettrone si sarebbe mosso a una velocità superiore a quella della luce, ma oggi non tutti sono d'accordo. In ogni caso non si prevede di arrivare a sintetizzare elementi con quel numero atomico tanto presto.

Una cosa sola è certa: in 150 anni di storia la Tavola Periodica degli Elementi si è elevata da semplice strumento utile agli scienziati nei loro calcoli ed è diventata un vero e proprio fenomeno pop, un'immagine subito riconoscibile e radicata nell'immaginario collettivo anche di chi alla scienza non si è mai avvicinato.

Un bel traguardo per una tabella fatta solo di lettere e numeri!

Per approfondire:

• http://www.periodictable.com/
• http://www.tavolaperiodica.unicam.it/sviluppo.html
• http://www.rsc.org/news-events/features/2019/jan/finding-the-periodic-table/?utm_content=8-Jan-2019&utm_source=facebook&utm_medium=social&utm_campaign=mkt-dir-news
• https://iupac.org/
• RSCPublishing – Extended elements: new periodic table – DOI: 10.1039/c0cp01575j

Il Carbonio, l'Idrogeno e la tavola periodica

Così avviene, dunque, che ogni elemento dica qualcosa a qualcuno (a ciascuno una cosa diversa), come le valli o le spiagge visitate in giovinezza: si deve forse fare un'eccezione per il carbonio, perché dice tutto a tutti.

[Primo Levi - Il Sistema Periodico]

Benvenuti, sia che voi siate scienziati, sia che siate semplici appassionati o, ancora più benvenuti voi che di scienza non sapete nulla: questo spazio è per voi.

Probabilmente vi starete chiedendo: perché il Carbonio?

Se la risposta vi sembra ovvia, beh, è possibile che anche voi, come me, siate dei chimici.

Il Carbonio sarà principio e arrivo di ogni cosa che tratterò, perché non c'è nulla di più importante del Carbonio nella vita di tutti noi.

Noi siamo Carbonio, infatti, e più precisamente lunghe catene di carbonio: gli acidi grassi che costituiscono la membrana cellulare, gli amminoacidi che formano le proteine, il DNA che definisce precisamente chi siamo e come siamo.

E Idrogeno, naturalmente, perché non c'è Carbonio senza Idrogeno.

Ma siamo anche Ossigeno, Ferro, Cobalto, Rame, Fosforo...

Insomma, di storie da raccontare ce ne sono tante con un numero potenzialmente infinito di elementi che conosciamo o che non sono stati ancora scoperti per arricchire la Tavola Periodica.

Chissà se Dmitrij Mendeleev, lo scienziato russo che per primo ebbe l'idea di ordinare gli elementi chimici secondo il loro numero atomico (cioè il loro numero di protoni), avrebbe mai immaginato un giorno di arrivare fino all'Oganessio, numero atomico 118, l'ultimo arrivato nel 2015.