Il Superuovo

La tavola periodica di Mendeleev compie 152 anni e ancora non accenna ad invecchiare

La tavola periodica di Mendeleev compie 152 anni e ancora non accenna ad invecchiare

Il 6 marzo 1869 Mendeleev presenta il suo primo modello di tavola periodica alla comunità scientifica russa: è una svolta epocale per lo studio della chimica e per la scienza.

San Pietroburgo oggi, la città in cui Mendeleev condusse molti dei suoi studi (fonte: pexels)

Più volte nel corso dei secoli si era tentato di catalogare tutti gli elementi conosciuti. Dagli alchimisti fino a Lavoisier, Mendeleev ebbe una base su cui poggiarsi per il suo lavoro magistrale. La catalogazione dell’epoca risultava ovviamente incompleta, ma il metodo che Mendeleev usò per mettere in ordine gli elementi è lo stesso che vediamo nella tavola odierna.

Le origini della tavola

C’è da dire che oggi conosciamo e sappiamo distinguere gli elementi singoli dalle molecole complesse. Questo non accadeva invece fino all’800. I primi tentativi di catalogazione risalgono infatti agli alchimisti, che fecero non poca confusione nel dividere elementi e composti. Individuarono correttamente zolfo, mercurio e ferro, ma aggiunsero acqua e sale, che oggi sappiamo essere combinazioni di elementi diversi. All’inizio del ‘700 i chimici capirono che serviva un metodo più sistematico per raggruppare gli elementi. Fra i primi Lavoisier, lo stesso che enunciò l’omonimo principio, suddivise gli elementi in gas, non metalli, metalli e terrosi. In seguito John Dalton, il primo a teorizzare la struttura sferica dell’atomo, fece un’ulteriore suddivisione basata sul peso molare. Nel giro di qualche decennio le teorie dei due e di altri come loro si diffusero in tutto il mondo, e altri scienziati avanzarono le loro ipotesi al riguardo. Qualche anno prima di Mendeleev, John Newlands aveva organizzato gli elementi conosciuti sulla base della legge delle ottave. Questo principio, ben prima della scoperta degli elettroni, aveva previsto il ripetersi delle proprietà e similarità degli elementi ad intervalli di 8. Oggi sappiamo che questo è dovuto alla configurazione esterna degli elettroni, ma ci torneremo più tardi. Altri scienziati giunsero a conclusioni simili a quelle di Mendeleev, ma la sua tavola rimase unica nel suo genere. Questo perché fu il primo a prevedere l’incompletezza della tavola, supponendo l’esistenza di elementi non ancora scoperti e catalogati come ad esempio Gallio e Germanio. Il connubio di questa sua teoria, rivelatasi corretta, con la legge delle ottave e le sue vaste conoscenze delle proprietà degli elementi, resero il suo lavoro visionario. Mendeleev decise anche di non rispettare sempre la regola della massa atomica crescente, su cui invece altri basarono la propria intera teoria. Dopo secoli di mistero intorno alla classificazione degli elementi, la tavola fu una luce che illuminò le menti di chimici e scienziati. Con la nuova consapevolezza delle proprietà degli elementi conosciuti e non, negli decenni successivi vennero catalogati il Gallio, che Mendeleev aveva chiamato eka-alluminio, e vennero condotti esperimenti simili su elementi degli stessi gruppi e periodi, per avere una mappa più completa del comportamento della materia. La tavola fu anche la base per la comprensione di molti legami chimici, così come il punto di partenza per lo studio dell’elettronegatività da parte del premio Nobel Linus Pauling. Il lavoro di Mendeleev è riconosciuto univocamente dalla comunità scientifica, tanto che si è deciso di dedicargli il nome di uno degli elementi artificiali, il Mendeleevio.

Alcuni elementi della tavola periodica portano nomi che arrivano dall’antichità, altri quelli di grandi scienziati (fonte: pexels)

Mendeleev e una vita di alti e bassi

Dmitrij Ivanovič Mendeleev nacque l’8 febbraio 1834 in quella che è oggi la Siberia. La sua famiglia, inizialmente agiata, dopo la morte del padre si trasferì a San Pietroburgo. Fin da piccolo Mendeleev dimostrò un’intelligenza fuori dal comune e una grande attitudine allo studio. Si appassionò non solo alla chimica ma anche alla fisica. Studiò i fenomeni della capillarità e altre proprietà dei liquidi, e intorno ai 30 anni cominciò a raccogliere tutte le informazioni che trovava per costruire la sua tavola. Nella corso della sua gioventù lo colpirono non solo lutti e disgrazie ma anche problemi di salute che lo costrinsero a muovere nei pressi del Mar Nero. Lì si dimostrò ancora una volta eccellente nello studio e tornato a San Pietroburgo già alcuni dei professori più famosi dello zar avevano sentito parlare di lui. Decise di compiere un viaggio nel Nord Italia, dove vide Verona, Venezia e Milano. Al suo ritorno ottenne un dottorato e in seguito la cattedra, al fianco di quei professori che qualche anno prima ammirava. Nonostante altri chimici nello stesso periodo stessero lavorando alla tavola con pratiche simili a quella di Mendeleev, non c’è alcuna prova che lui potesse esserne al corrente. La presentazione della tavola il 6 marzo 1869 fu ben accolta da molti dei suoi colleghi. Gli fu riconosciuta l’audacia di aver previsto elementi non ancora scoperti e la correttezza con cui aveva messo in ordine quelli già conosciuti. Al pari del suo carattere, anche la sua vita sentimentale fu burrascosa. In una società mentalmente chiusa come quella zarista del tempo, non furono visti di buon occhio il suo matrimonio e divorzio con annesse terze relazioni, cosa che gli costò parte della sua reputazione di fronte all’accademia russa delle scienze. Nonostante questo anche grazie ai suoi contributi la città di San Pietroburgo era ormai conosciuta in tutta Europa per la sua importanza nel campo della chimica e della ricerca. Dopo essersi scontrato, supportato dai suoi studenti, con la politica dell’epoca, decise di ritirarsi a vita privata, ma non smise mai le sue ricerche. Morì il 2 febbraio 1907. Le sue ricerche sulle miscele di acqua e alcol etilico alimentano ancora oggi leggende su di lui legate alla vodka. Non si ha però nessuna prova certa che lui sia coinvolto nella produzione della famosa “acqua di Russia” di cui però lui faceva di sicuro uso.

Tra gli studi di Mendeleev vi furono la descrizione dei comportamenti delle miscele contenenti acqua e le loro proprietà, come ad esempio quella di formare bolle o la capillarità (fonte: pexels)

Come leggere la tavola periodica

La potenza della tavola sta nella semplicità. Non sono necessarie conoscenze di chimica approfondita per leggerla, ma le informazioni che se ne traggono sono preziose. Per semplicità indicherò con “peso” quella che è in realtà la massa molare, onde evitare di complicare la vita ai non chimici di professione. Chiedo inoltre di far riferimento alla figura qui sotto riportata per capire meglio l’intero paragrafo. La tavola è divisa in righe e colonne. Per comodità, si è deciso di chiamare le righe periodi e le colonne gruppi. Ad esclusione del primo periodo, in cui sono presenti solo idrogeno ed elio, nei periodi successivi passare da un gruppo a quello dopo equivale ad “aggiungere” un elettrone. Tendenzialmente, ma non è sempre vero, un elemento è più “pesante” di quello precedente e più “leggero” del successivo. A scanso di equivoci, diamo una breve definizione di “pesante” e ” leggero”. Prendiamo due elementi che conosciamo bene: azoto e ossigeno. Sono i principali componenti dell’aria e per questo facilmente reperibili. Immaginiamo di armarci di una potente lente e di molta pazienza e cominciare a contare atomo per atomo una certa quantità di ossigeno e di azoto, e metterli su di una bilancia. 1, 2, 3… fino a 6 milioni di miliardi di miliardi di atomi. Perché questo numero? Senza addentrarci troppo nei particolari, diciamo pure “perché i chimici del 700 hanno deciso così”. Ora con il nostro bel numero di atomi di azoto da una parte e di ossigeno dall’altra notiamo una cosa: la bilancia è inclinata dalla parte dell’ossigeno. Questo significa che, a parità di atomi presi, l’ossigeno pesa più dell’azoto. Questo lo si vede a colpo d’occhio anche sulla tavola: l’ossigeno, numero 10, viene subito dopo l’azoto, numero 9. Questo però, come intuì Mendeleev, non è sempre vero. Vale invece sempre la condizione degli elettroni: l’azoto ha un elettrone in meno dell’ossigeno, l’ossigeno uno in meno del fluoro e così via. Ma perché è più importante il numero di elettroni piuttosto che il “peso” di un elemento? Perché sono gli elettroni che ci danno indicazione su come un elemento reagisca con gli altri. Prendiamo ad esempio il sale da cucina. La formula chimica del sale, NaCl, ci dice che è formato da sodio e cloro. Questo perché il cloro va talmente d’accordo con l’elettrone esterno del sodio, che questo decide di cederglielo per poi legarsi. Ecco se ora cerchiamo un composto simile al sale da cucina dobbiamo andare a prendere NaF, sodio e fluoro, oppure NaBr, sodio e bromo. Sia fluoro che bromo hanno infatti lo stesso numero di elettroni esterni del cloro, anche se hanno pesi molto diversi. Ma come faccio a capire quali elementi hanno gli stessi elettroni esterni, quindi proprietà simili, se non so nulla di chimica? Semplice: muovendomi lungo un gruppo, che ricordo essere una colonna, ho solo elementi con lo stesso numero di elettroni esterni. Allora salta all’occhio che hanno proprietà simili ossigeno zolfo e selenio, oppure carbonio e silicio, o ancora litio sodio e potassio. Una curiosità riguarda gli elementi molto pesanti. Dal numero 92 in poi infatti, gli elementi della tavola non si trovano più in natura ma sono invece creati artificialmente dall’uomo. Il loro scopo principale è quello di essere usati per le reazioni nucleari. Sono molto instabili, molto pericolosi, e tendono a “rompersi” in elementi più leggeri rilasciando molta energia. L’ultima nota è d’obbligo sui metalli cosiddetti “di transizione”. Perché se i gruppi sono solo 8, bisogna far fede ai numeri romani sopra le colonne, allora i numeri arabi arrivano a 18? Dal numero 3 al numero 12 la questione si complica un po’, e sapere la configurazione degli elettroni esterni non basta. Quello che è sufficiente sapere è che anche qui vale la similarità degli elementi di una stessa colonna, e che spesso anche gli elementi sulla stessa riga hanno proprietà simili. Insomma, per quanto la chimica possa sembrare a volte ostica e difficile, alla fine poggia tutte le sue basi qui. La tavola periodica e il lavoro di Mendeleev ci dimostrano ancora una volta che non serve complicare qualcosa per renderlo meraviglioso.

La tavola periodica di oggi (fonte: zanichelli)

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