I 150 anni della tavola periodica di Mendeleev

Il 17 febbraio ha marcato 150 anni dalla pubblicazione, in un libro di testo di chimica, della versione iniziale della tavola periodica degli elementi. Il chimico fisico russo Dimitri Mendeleev forse allora non sospettava di entrare nel gotha della scienza, ma questo riconoscimento non tardò molto a venire. L’Unesco celebra ora, nel 2019, l’anno internazionale del sistema periodico, vari convegni sono stati organizzati ed escono numeri speciali delle principali riviste scientifiche, tra le quali il recentissimo numero di febbraio di Physics World. Tutti abbiamo visto, già dal liceo, la versione attuale, l’alfabeto della materia. Primo Levi, chimico e grande scrittore, ne era giustamente affascinato e nel suo libro sul sistema periodico intesse deliziose storie su come alcuni elementi facciano parte, senza che ce ne rendiamo conto, della nostra vita.

La versione originale di Mendeleev è assai diversa da quella attuale, ma l’idea centrale rimane: ordinare tutti gli elementi primari in un sistema allo stesso tempo gratificante per lo spirito e utile nella pratica. Basato su anni di pazienti e precisissime osservazioni di reazioni chimiche (quello che con un termine un po’ ostico si chiama stechiometria) e sul peso atomico, notò una, allora curiosa, periodicità di otto. Netta, ma quasi magica. Oggi perfettamente spiegata in base alle orbite elettroniche. Allora non era ancora stato scoperto che molti elementi presentano una combinazione di isotopi diversi, stesso numero atomico, ma un diverso numero di neutroni nel nucleo. Il caso più famoso, seppur tristemente, è quello dell’uranio. L’isotopo di gran lunga più diffuso è il 238, inerte, mentre sono presenti minute tracce dell’isotopo altamente fissile 235, il cuore della prima bomba atomica.

Il chimico fisico russo Dimitri Mendeleev, che ha creato la tavola periodica degli elementi (Foto Wikipedia Commons)

Mendeleev correttamente predisse l’esistenza di elementi ancora non scoperti e ne predisse le proprietà chimiche (gallio, scandio, germanio e tecnezio). Ammise anche alcune perplessità. Basandosi sul peso atomico, non sul numero atomico, che venne assai più tardi, giustamente sospettava che il vero ordine fosse, qua e là, diverso da quello che il suo intuito suggeriva. Notò anche che c’erano dei “buchi”, che marcò con un punto interrogativo. Il buco più cospicuo si inseriva tra boro, alluminio, manganese e silicio. Giustamente persuaso si trattasse di elementi ancora non scoperti, rifiutò di modificare la tavola e correttamente predisse le proprietà chimiche degli elementi mancanti. Questi buchi sono stati poi debitamente riempiti, soprattutto quello delle cosiddette terre rare.

Il segreto è nel numero fisso delle orbite

Piacevole per lo spirito, certo, per via della periodica sistematicità. Ma come non innamorarsi di nomi come rutezio, ittrio, lantanio, renio, neodimio, praseodimio, tantalio. Tra i transuranici troviamo, debitamente, il mendelevio, numero atomico 101. Il segreto della intera tavola, la chiave delle chiavi, oggi sappiamo consistere nel numero fisso delle orbite elettroniche in ciascuno strato (in inglese, più poeticamente chiamati shell, cioè conchiglie). In questo mondo ultramicroscopico sussiste una fame di completezza, una possente tendenza a raggiungere un numero magico, il riempimento di tutte e solo le orbite disponibili in quella conchiglia. Da cui la periodicità di otto.

Questa completezza viene raggiunta dai cosiddetti gas nobili, che non si combinano con niente altro e sono stati, di conseguenza, difficili da isolare (meritando una spolverata di premi Nobel). Negli elementi non nobili, per raggiungere questa completezza, un atomo si combina con un altro atomo, compartecipa con questo i suoi elettroni. Questo è il fondamento del legame chimico, come scoperto dal chimico fisico americano Linus Carl Pauling (Nobel per la chimica 1954, seguito dal suo Nobel per la pace nel 1962, a causa della sua attività contro la bomba nucleare).

L’alba di questa stupenda storia sorse alla fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento con la cosiddetta spettroscopia (nome assai gradevole). Portando a incandescenza i gas e polverizzando e poi incendiando gli elementi non gassosi, si videro comparire dei sistemi netti e ordinatissimi di righe, la firma inconfondibile di ciascun elemento. Misurando le lunghezze d’onda in ciascuna serie di righe (soprattutto la serie detta di Balmer e quella di Ritz-Rydberg) si cercò di trovare una legge. Contando uno, due, tre e così via non si arriva a niente. Proviamo con i quadrati: uno, quattro, nove, sedici. Fuocherello. Ma vanno messi a testa in giù, cioè in frazioni tipo un quarto, un nono e così via. Tombola!

Le differenze tra queste frazioni danno le lunghezze d’onda di quelle righe: la celebre formula di Ritz-Rydberg. Giustissima, ma, allora, assai inspiegabile. Poi ben spiegata dalla fisica quantistica. La tavola periodica non solo è uno dei massimi trionfi della scienza di ogni tempo, ma, più generalmente, uno dei massimi trionfi del pensiero umano. Tra il rigore delle reazioni chimiche, i barbagli della spettroscopia, la fame di riempimento degli elettroni e la poesia del linguaggio chimico, abbiamo penetrato i più intimi segreti di madre materia.