Buon compleanno tavola periodica!

La geniale intuizione del chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev confluita nella tavola degli elementi compie 150 anni.

di Manuela Nazzari

Oggi, 6 Marzo, si celebra il 150 esimo compleanno di questa magnifica intuizione di Mendeleev, anche se sembra che in quel periodo, siamo verso la fine dell’1800 (1869 per l’esattezza), più scienziati fossero giunti per proprie vie a qualcosa di simile (il francese de Chancourtois, il tedesco Meyer, gli inglesi Odling e Newlands e il danese Hinrichs). L’idea infatti, per i chimici dell’epoca, era di cercare di trovare un sistema che in qualche modo desse un ordine classificativo agli elementi chimici allora conosciuti. I tentativi di ordinare gli atomi, accumunando elementi con caratteristiche simili, furono parecchi, ma quello di Mendeleev fu il più geniale, perché, avendo il coraggio di lasciare nella tabella alcuni “buchi vuoti”, che corrispondevano agli “elementi mancanti” (ovvero non conosciuti all’epoca), riuscì a sistemare gli elementi in un ordine logico, creando la tavola periodica degli elementi: ancora adesso strumento di lavoro fondamentale per tutti coloro che si occupando di studiare com’è fatta la materia. Per ricordarne l’importanza, l’Onu ha deciso di dedicare il 2019 alla tavola periodica degli elementi.

Ma come sono ordinati gli elementi nella tavola periodica?

Sin dalla notte dei tempi i chimici avevano notato che, fra i diversi elementi, alcune caratteristiche si presentavano in modo ricorrente. E’ noto che il comportamento di un elemento chimico è principalmente legato alla sua struttura elettronica esterna, orbitante attorno al nucleo di ciascun atomo. Ciascun atomo (e quindi ciascun elemento) è caratterizzato da un numero atomico, differente fra elemento ed elemento, ovvero dal numero di protoni presenti nel nucleo, a cui corrisponde un egual numero di elettroni. Questo “guscio elettronico esterno” può contenere un numero massimo di elettroni ed un assetto energetico e spaziale ben definito. Ad esempio per gli atomi che occupano le prime tre righe della tavola periodica (più propriamente chiamate periodi) tale numero corrisponde a otto elettroni, dopodiché quando il guscio è pieno, si comincia a popolare un nuovo livello orbitale più esterno. Tutti gli elementi caratterizzati da un egual numero di elettroni nell’orbitale più esterno hanno delle caratteristiche in comune. All’epoca di Mendeleev, ovviamente, la struttura della materia non era così ben conosciuta: si stavano muovendo i primi passi verso la determinazione e caratterizzazione delle suddette proprietà e il riconoscimento di quelle rilevanti ripetizioni che hanno guidato verso la compilazione della tavola.

Chi era Mendeleev?

Nato nel 1834 a Tobolsk, nella sperduta Siberia, ultimo di diciassette figli, Mendeleev studiò a San Pietroburgo e poi in Germania, a Heidelberg. Nel 1867, a 33 anni, da poco nominato professore all’Università di San Pietroburgo, Mendeleev si rese conto che il linguaggio della chimica era assolutamente incomprensibile per chi non fosse esperto della materia. Dopo aver scritto alcuni volumi per cercare di rendere più chiara la disciplina anche ai non addetti (e agli studenti), giunge all’idea della tavola periodica.

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Dmitri Mendeleev nel 1861

Medeleev aveva creato 63 carte, una per ogni elemento chimico conosciuto all’epoca (ora sono ben 118), su cui aveva riportato le principali proprietà, incluso il peso atomico. In quegli anni infatti ancora non si sapeva come era fatto l’atomo e quindi il concetto di numero atomico era ancora sconosciuto. Erano però stati calcolati, con buona precisione, i vari pesi atomici degli elementi noti. Mendeleev si dedicò senza sosta per mesi alla sua tavola, provando a disporre le carte in vario modo, come in un solitario. Infine, con una intuizione apparsa, si narra, in un sogno, ordinando le carte secondo il peso atomico crescente, si accorse che le proprietà chimiche degli elementi si ripetevano periodicamente. Così sistemò i 63 elementi conosciuti nella sua tavola, lasciando degli spazi vuoti per gli elementi ancora sconosciuti, creando righe di diversa lunghezza per avere, in ogni colonna, elementi con comportamenti chimici simili.

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Tavola periodica di Mendeleev originale.

Rispetto alle altre versioni elaborate dagli altri scienziati in quel periodo, la tavola di Mendeleev fu più precisa per due importanti ragioni: in primo luogo perché decise di ignorare occasionalmente l’ordine suggerito dai pesi atomici, scambiando elementi adiacenti (come cobalto e nichel) per farli entrare nella colonna degli elementi con le loro stesse proprietà chimiche. In secondo luogo Mendeleev ebbe il coraggio di lasciare degli spazi vuoti, laddove non trovava elementi da inserire con quel peso atomico, ipotizzando, giustamente, che gli elementi corrispondenti a tali spazi semplicemente non fossero ancora stati ancora scoperti. Questo gli permise addirittura di predire, con stupefacente precisione, le proprietà di tali elementi mancanti, come scandio, gallio e germanio, effettivamente scoperti qualche anno più tardi.

Tutte queste “stranezze” furono poi finalmente comprese e spiegate solo quando, nei primi anni del 1900, si iniziarono a sviluppare le teorie della struttura atomica. Allora ci si accorse che Mendeleev aveva, senza volerlo, ordinato perfettamente gli elementi rispetto al loro numero atomico. La grandezza di questo scienziato fu quindi quella di credere fortemente nell’esperienza, anche quando questa non collimava del tutto con la teoria, a quel tempo incompleta e quindi non in grado di spiegare, come spesso accade, correttamente i fenomeni naturali. A ragione quindi non si può che essere d’accordo con Primo Levi che definì la tavola periodica di Mendeleev addirittura «una poesia».

Una curiosità: le tavole periodiche «alternative»

Pur essendo uno strumento prettamente scientifico, la tavola periodica è stata anche sfruttata come fonte di creatività. Nei cento anni successivi alla morte di Mendeleev sono state prodotte oltre 700 rappresentazioni alternative del suo schema: cubiche, a cilindro, piramidali e persino tridimensionali.

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Tavola periodica circolare disegnata da Mohammed Abubakr, ECE, GRIET, Hyderabad, India.
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Tavola periodica degli elementi di Clark, 1949
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La nuova tavola periodica degli elementi, a cura dell’European Chemical Society. La grandezza di ciascun riquadro è proporzionale alla disponibilità dell’elemento.

Infine, essendo la tavola periodica un perfetto strumento classificativo, c’è chi ha pensato di sfruttarlo per classificare, in modo anche assai ironico, tutta una serie di gruppi di elementi, a volte tutt’altro che scientifici. Qui un articolo dove ne troverete diverse. Buon divertimento!