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

Un atomo pieno di atomi

Cosa c'è dentro un atomo? Di solito niente, ma questa risposta non deve essere piaciuta ai ricercatori delle Università di Vienna e di Harvard che hanno pensato bene di creare un atomo così grande da poter essere riempito con altri atomi.

L'Atomo di Rydberg

Immaginiamo l'atomo come una sorta di piccolo (piccolissimo) sistema solare in cui al centro al posto del sole vi è un nucleo formato da neutroni (particelle neutre) e protoni (particelle di carica positiva) e al posto dei pianeti che vi orbitano intorno ci sono gli elettroni (particelle negative). 

Naturalmente la realtà è molto più complicaa di così e richiede complessi calcoli matematici, ma per molte cose questa semplificazione è ancora oggi efficace.

Ad ogni orbita corrisponde un numero da 1 a infinito, chiamato numero quantico la cui importanza è fondamentale poichè ci fornisce informazioni specifiche sull'energia e la forma di un determinato atomo e un determinato elettrone.

Quando si fornisce una certa quantità di energia a un atomo, l'elettrone salta da un livello (cioè un'orbita) a un'altro superiore, con un numero quantico più alto, e questo atomo si dice perciò eccitato.

Normalmente i salti che un elettrone può compiere non sono particolarmente lunghi, ma utilizzando particolari tecniche e solo in alcune condizioni, gli scienziati sono riusciti a creare un atomo eccitato con un numero quantico principale molto alto, tanto che l'elettrone si trova ad orbitare anche a molte centinaia nanometri di distanza dal nucleo, cioè più di mille volte superiore al raggio di un atomo di Idrogeno.

A questo "super atomo" è stato dato il nome di Atomo di Rydberg, in onore del fisico che per primo ha descritto le lunghezze d'onda degli spettri luminosi dell'Idrogeno.

Il condensato di Bose-Einstein: un'altro stato della materia

Nella meccanica quantistica le particelle piccolissime come gli atomi sono definite anche come onde e queste onde (chiamate armoniche sferiche) possono avere una forma diversa a seconda dell'energia dell'atomo, che è continuamente in vibrazione. A temperature più alte la vibrazione e quindi l'energia dell'atomo sarà maggiore che a basse temperature.

Si prenda ora per esempio l'isotopo 23 del Sodio (cioè un atomo di Sodio con 23 neutroni) che è un isotopo bosonico, e per questo motivo gli atomi di Sodio possono avere tutti la stessa energia e la stessa funzione d'onda che li descrive, cosa che in altre condizioni sarebbe impossibile.

Il Sodio viene riscaldato fino a diventare un gas e fatto passare attraverso un foro minuscolo, fino a raggiungere la temperatura di 9000 Kelvin (più di 8700°C). Gli atomi di sodio così caldi si muovono a una velocità altissima, circa 1000 metri al secondo, e si trovano a un'energia elevatissima tanto che vanno raffreddati. Per fare questo si usano dei laser che, grazie a una serie di processi, riescono a raffreddare gli atomi di Sodio fino a una temperatura di 0.0000024 Kelvin.

A questo punto, questi atomi vengono intrappolati all'interno di un campo magnetico, in cui si avranno gli atomi più caldi in alto e quelli più freddi in basso. Passo dopo passo questa trappola magnetica raffredda ulteriormente gli atomi fino alla temperatura più bassa che è possibile raggiungere in un laboratorio, ovvero  0.000000001 Kelvin (la temperatura di 0 Kelvin, detta zero assoluto, è impossibile da raggiungere).

A temperature così basse quasi il 100% degli atomi di Sodio esistono allo stato fondamentale, cioè al livello più basso di energia possibile per un atomo e questo è possibile per il sodio proprio perchè è un atomo bosonico, come si diceva all'inizio.

Il condensato di Bose-Einstein è proprio questo stato in cui tutti gli atomi sono al livello più basso di energia ed è considerato uno stato della materia vero e proprio, esattamente come lo stato solido, liquido e gassoso.

Polarone di Rydberg: un atomo che mangia tutti gli altri

Ora, sia gli atomi di Rydberg che i condensati di Bose-Einstein sono concetti ben radicati nella fisica moderna, perciò gli scienziati hanno deciso di unirli.

In questo esperimento hanno creato un condensato di BE usando atomi di Stronzio, quindi, con un laser, ne hanno eccitato uno per creare un Atomo di Rydberg.

Il risultato è stato quello di avere un elettrone che orbita intorno a se stesso e a migliaia di altri atomi di Stronzio, inglobati in questa sorta di super atomo gigantesco che hanno chiamato Polarone di Rydberg. La cosa interessante è che poichè gli atomi non hanno carica elettrica, esercitano solo una forza minima sull'elettrone e quindi non ne distruggono l'orbita, perciò l'energia globale di tutto il sistema è minore di quella che si avrebbe se gli atomi di Stronzio non fossero intrappolati, ed il legame fra l'Atomo di Rydberg gigante e gli atomi all'interno è permesso.

Questa situazione è possibile però solo a temperature vicine allo zero assoluto, perchè a temperature più alte l'energia degli atomi è maggiore e il legame si rompe, distruggendo il polarone.

Anche questa particolare struttura è un nuovo stato della materia, chiamato stato esotico.

Potrebbe sembrare solo un giochino dei fisici, ma in realtà è una ricerca estremamente importante che permetterà di studiare la fisica degli atomi ultrafreddi, scoprire nuove proprietà della materia e, chissà , a portare anche a nuove applicazioni pratiche che potrebbero rivoluzionare la nostra vita di tutti i giorni. Basta solo aspettare e vedere.

Bibliografia:

• https://www.nature.com/articles/nature12592
• https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125643/
• https://steemit.com/steemstem/@physics.benjamin/the-coldest-place-in-the-universe-is-in-our-physics-laboratories-the-bose-einstein-condensate

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.