Il 6 marzo 1869 Dmitrij Ivanovič Mendeleev presentò alla neofondata Società chimica russa un sistema di classificazione, basato sui pesi atomici, che permetteva di prevedere le caratteristiche di elementi chimici ancora da scoprire: la tavola periodica degli elementi.
Sono passati 150 anni da quando la tavola periodica fu impostata e ordinata in base alle proprietà chimiche e fisiche. Per ricordarne l’importanza, l’ONU ha deciso di dedicarle il 2019 e noi di Associazione LOfficina di raccontare come mai la tavola periodica occupa uno spazio importante nell’atrio del Planetario di Milano. Infatti, quando si varca la soglia dell’istituto, si è immediatamente attratti dalla rappresentazione a muro della tavola periodica di Mendeleev, in cui sono classificati tutti gli elementi presenti in natura e gli elementi artificiali sinora prodotti dall’uomo.
Ma chi era costui? Dmitrij Ivanovič Mendeleev (1834-1907) è stato un chimico russo le cui più grandi scoperte risalgono alla seconda metà dell’800. La gloria la deve all’organizzazione degli elementi secondo un sistema che lui stesso chiamava “la legge periodica”, da qui il nome della tavola. C’é da dire che altri scienziati, in periodi precedenti, avevano lavorato all’organizzazione degli elementi e ognuno aveva dato un contributo utilizzato dagli studiosi delle generazioni successive.
Contemporaneo di Mendeleev era Julius Lothar Meyer (1830-1895), il quale era arrivato ad analoghe conclusioni indipendentemente e all’insaputa dello scienziato russo. Tuttavia, da un punto di vista cronologico, il tedesco fu preceduto di qualche mese nella pubblicazione avvenuta nel 1869 da parte di Mendeleev delle sue scoperte. Fortunatamente, anche il contributo di Meyer fu riconosciuto dalla Royal Society, che nel 1882 assegnò la Davy Medal a entrambi gli studiosi.
Proprio come Meyer, Mendeleev utilizzò come criterio la massa atomica per cercare di attribuire un ordine agli elementi, tuttavia si concentrò sulle affinità nelle proprietà chimiche. Mendeleev dispose gli elementi (quelli noti allora erano 63) in ordine di massa atomica crescente, da sinistra verso destra, incolonnando uno sopra all’altro, in “famiglie chimiche”, gli elementi con proprietà simili. Per esempio, potassio, rubidio e cesio, tre metalli che reagiscono violentemente con l’acqua, erano disposti nella stessa colonna o gruppo.
Mendeleev era così convinto del proprio metodo che lasciò spazi vuoti nella tavola quando le proprietà di un elemento lo facevano incolonnare in un gruppo non immediatamente successivo all’elemento precedente. Egli suppose che gli spazi così rimasti vuoti nel periodo sarebbero stati occupati da elementi allora ancora sconosciuti, dei quali indicò le caratteristiche fisiche e chimiche che avrebbero dovuto possedere. In particolare, lasciò vuoti gli spazi sotto boro, alluminio e silicio e chiamò questi elementi rispettivamente eka-boro, eka- alluminio, eka-silicio. Alcuni anni dopo, furono scoperti gli elementi gallio (1875), scandio (1876) e germanio (1886), che possedevano proprietà analoghe a quelle previste per eka-boro, eka-alluminio ed eka-silicio. Dopo queste conferme, il sistema periodico di Mendeleev conquistò una tale autorevolezza che la collocazione nella tavola periodica dei nuovi elementi che via via venivano scoperti, diventò la priorità. La scoperta dei “gas nobili” (elio, argon, neon, kripton e xeno), pochi anni dopo, portò Mendeleev ad aggiungere alla tavola periodica un nuovo gruppo, ovvero una colonna a destra delle sette da lui indicate, costituita da elementi (gas) che avevano scarsa tendenza a reagire con gli altri (perciò vennero chiamati “nobili”). Lo schema interpretativo proposto da Mendeleev si rivelò così efficace da trovare posto non solo per nuovi elementi, ma anche per nuove intere famiglie chimiche.
La tabella di Mendeleev non riusciva però a spiegare alcune cose, come il fatto che il cobalto, pur avendo una massa atomica maggiore di quella del nichel, possiede delle proprietà che porterebbero a collocarlo prima di questo elemento.
Nel 1913, G.J. Moseley capì che il parametro ordinatore degli elementi nella tavola periodica non era la massa atomica, bensì il numero atomico (numero di protoni contenuti nel nucleo atomico). In tal modo, la posizione del cobalto è proprio quella che precede il nichel.
Negli anni seguenti, con poche modifiche, la tavola predisposta da Mendeleev diventò quella che usiamo ancora oggi e che viene definita la moderna tavola periodica in cui gli elementi sono ordinati in colonne verticali, dette “gruppi”. Questi ultimi risultano particolarmente importanti per la classificazione, in quanto gli elementi che appartengono a uno stesso gruppo mostrano tra loro delle proprietà chimiche molto simili.
Le righe orizzontali della tavola periodica sono invece chiamate “periodi”. Le proprietà all’interno di un periodo sono meno marcate rispetto a quelle che caratterizzano i gruppi, ma ugualmente si notano importanti tendenze. In tutto si hanno 7 periodi e 18 gruppi. Se si considerano le caratteristiche degli elementi di uno stesso periodo, si nota che, procedendo da destra verso sinistra, aumentano le cosiddette «proprietà metalliche», come la lucentezza, la capacità di condurre il calore e l’elettricità, la capacità di deformarsi in maniera plastica, ovvero senza fratturarsi. In base a queste proprietà, è dunque possibile effettuare una classificazione degli elementi in metalli, non metalli e semimetalli.
Nel 1945 fu riempito l’ultimo spazio vuoto della tavola. La scienza aveva finalmente scoperto tutti gli elementi? Stranamente la risposta è sì e no. Tutti gli elementi che esistono sulla Terra erano stati scoperti. Ma niente vietava che nuovi elementi potessero essere creati artificialmente, collocandoli alla fine della tavola periodica, oltre l’elemento 92, l’uranio. Con lo sviluppo della ricerca atomica negli anni ’40, una sequela di nuovi elementi sintetizzati in laboratorio iniziarono ad aggiungersi, arrivando fino ai 118 elementi noti fino a oggi. Nessuno sa quanti altri elementi potranno essere scoperti. Quello che sappiamo, invece, è che sintetizzare nuovi elementi diventa sempre più difficile. Oggi, per avere la probabilità di scoprirne uno, c’è bisogno di un laboratorio molto attrezzato: gli elementi facili da scoprire sono già stati tutti individuati.
La tavola periodica, o tavola di Mendeleev, è così da moltissimo tempo: ormai ha quasi un secolo e mezzo. Quello che stupisce è come una tale classificazione, basata solo su fenomeni macroscopici e costruita dal chimico russo quando la struttura dell’atomo era ignota, non solo abbia resistito a tutto lo sviluppo di quella che viene chiamata fisica moderna, dalla nascita della fisica atomica e nucleare alle revisioni della fisica teorica dovute alla meccanica quantistica, ma anzi ne sia uscita rafforzata.
A questo punto il lettore si chiederà come mai la tavola periodica ha un posto di primo piano al Planetario di Milano, ovvero in un istituto che ha il compito di divulgare l’astronomia. Una prima e immediata risposta si può trovare nell’universalità, in quanto non esiste alcuna evidenza, che neppure nei più remoti angoli del cosmo, vi siano elementi chimici diversi da quelli noti sulla Terra. Tuttavia, la motivazione principale risiede nell’origine degli elementi chimici e nella storia evolutiva del nostro universo. Ma procediamo con ordine.
Nei primi tre minuti dopo il Big Bang si sono formati i nuclei degli atomi più leggeri, idrogeno ed elio: questa è stata la fase della cosiddetta “nucleosintesi cosmologica”. L’abbondanza di idrogeno e di elio che si osserva nell’universo proviene quindi dalle reazioni nucleari che avvengono in questo breve intervallo di tempo. Gli elementi chimici più pesanti dell’idrogeno e dell’elio, fino al ferro, vengono sintetizzati nei nuclei delle stelle, vere e proprie centrali di energia nucleare, tramite il processo di nucleosintesi stellare: nuclei di elementi leggeri sono fusi in nuclei di elementi più pesanti. L’esplosione delle stelle, che caratterizza la parte finale della vita degli astri di grande massa, porta alla formazione di tutti gli altri elementi (nucleosintesi esplosiva); infatti, a causa della grande quantità di energia rilasciata, si creano le condizioni estreme necessarie per la formazione degli elementi chimici più pesanti del ferro, come l’oro e il platino. Nel nostro “genoma chimico” vi sono quindi tracce di quello dell’universo stesso. Il nostro corpo e tutta la materia che ci circonda sono infatti costituiti da atomi che, in un lontano passato, si trovavano nelle stelle; sono loro che li hanno fabbricati e poi disseminati per il cosmo, a disposizione di altre stelle che stavano nascendo, in particolare di una, il Sole, e della sua famiglia di pianeti. Siamo figli delle stelle, ovvero siamo fatti di materia fusa all’interno degli astri! Questo è il motivo principale per cui la tavola di Mendeleev ha un posto di primo piano all’interno del Planetario di Milano.
Tale tavola ha una caratteristica interessante: gli elementi, ordinati secondo la struttura di Mendeleev e sempre identificati dalle loro sigle e dai loro numeri, smettono di essere soltanto dei nomi più o meno esotici, per diventare le sostanze della nostra sempre più tecnologica vita quotidiana. Infatti, l’idea di questo progetto nasce dal desiderio di mostrare agli studenti le proprietà di campioni reali degli elementi chimici visti nella loro “tridimensionalità”. Elementi che spesso gli studenti hanno sentito nominare o, magari, dei quali hanno anche studiato le caratteristiche, senza però averli mai visti realmente in forma elementare.
Ma chi ha realizzato questa “opera”? L’idea è nata all’interno dello staff del Planetario e, successivamente, è stata realizzata da Walter Fogato (a cui si deve la realizzazione di gran parte dei diorami del Museo di storia Naturale di Milano) sotto la supervisione scientifica del conservatore e astrofisico Fabio Peri. Infine, è stata inaugurata nel 2010 per l’80° anniversario del Planetario di Milano.
Da quel momento si è notato come tutti i visitatori siano attratti dall’enorme tavola periodica che occupa un’intera parete a sinistra dell’ingresso principale. Il fatto di poter vedere tutti gli elementi nella loro forma elementare, rende la chimica più attraente e comprensibile anche a coloro che pensano che sia solo fatta di leggi e procedimenti da imparare a memoria e sconnessi dalla realtà.
In aggiunta, spesso gli insegnanti e il personale dedicato all’accoglienza si prestano a spiegare con passione i segreti della tavola di Mendeleev. Gli studenti possono comprendere come le proprietà e l’aspetto degli elementi si modificano man mano che si procede lungo i periodi, passando dai metalli ai metalloidi, fino ai non metalli e infine ai gas nobili. I metalli del primo gruppo sono estremamente reattivi, per questo motivo vanno conservati al riparo dall’aria, in ampolle sotto vuoto o in liquidi inerti come oli minerali o paraffine. Gli elementi di transizione, invece, non hanno bisogno di particolari precauzioni per proteggerli dall’aria e dall’umidità, in quanto sono molto stabili e in molti casi anche resistenti. I metalli più preziosi della tavola periodica si presentano lucidi e brillanti poiché, essendo molto stabili, non reagiscono con l’ossigeno dell’aria e non si ricoprono di ossidi.
Nella tavola periodica del Planetario di Milano è possibile anche vedere i gas. Ma come? Attraverso una scarica elettrica! Infatti, il gas ionizza ed emette luce. In questo modo si possono fare delle ulteriori scoperte: ad esempio, la luce emessa dal neon, nell’immaginario collettivo, è di colore bianco o giallo mentre in realtà è rosso!
La tavola di Mendeleev può essere utilizzata anche per raccontare la storia degli elementi e soprattutto le curiosità che possono rendere la chimica più divertente e affascinante.
Ma su aneddoti e aspetti divertenti dedicheremo un nuovo articolo che sarà pubblicato sempre nella nostra sezione delle “news”.