Tre motivi per cui la tavola periodica deve essere ridisegnata


I chimici non riescono a trovare un accordo sul modo migliore per organizzare gli elementi, suggerendo proposte di tutti i generi, da alternative a forma di spirale a versioni radicalmente allungate.

table-600x400.jpg
Questa rivisitazione della tavola periodica, proposta dal chimico Theodor Benfey nel 1964, sottolinea la continuità degli elementi piuttosto che imporre rotture artificiali.

Facendo scorrere le dita sui tasti bianchi di un pianoforte le note diventano sempre più alte man mano a mano che la mano si muove verso destra. Sull’ottavo tasto, succede qualcosa di bello: una nota pende nell’aria che incarna qualcosa del primo, solo con un’altezza diversa.

Abbiamo iniziato a capire che qualcosa di simile stava succedendo con gli elementi chimici più di 150 anni fa. Gli scienziati la chiamavano anche la legge delle ottave. Ed è questa ripetizione delle proprietà degli elementi che la tavola periodica cattura così bene. Elementi simili finiscono impilati in colonne o gruppi. Un gruppo comprende gas nobili come l’argon e il neon che reagiscono appena con qualcosa, un altro contiene metalli reattivi, alcuni dei quali, come il francio, esplodono a contatto con l’acqua.

Ma ci sono dubbi sul fatto che la tavola periodica sia nella migliore configurazione possibile. Così come le note possono essere disposte in vari modi per produrre musica, così l’essenza delle relazioni tra gli elementi potrebbe essere rappresentata in modo diverso. Non esiste un modo semplice per giudicare quale sia migliore, o più “vero”. Così le discussioni sui difetti percepiti nell’attuale arrangiamento si fanno sentire, con alcuni chimici che sostengono che alcuni elementi dovrebbero essere trasferiti – e altri che lavorano su modi più radicali per ricomporre la tavola.

All’inizio, gli elementi erano organizzati per peso atomico. Ora li ordiniamo per il numero di protoni nel loro nucleo. Sappiamo anche che le loro proprietà sono determinate in gran parte dalla disposizione degli elettroni caricati negativamente che orbitano in conchiglie successive intorno al nucleo.

Gli elementi più leggeri hanno un solo guscio, che può contenere due di queste particelle. Gli elementi più pesanti hanno più conchiglie che possono contenere un maggior numero di elettroni. Ciò che conta veramente per il comportamento di ogni elemento, tuttavia, è il numero di elettroni che ha nel suo guscio esterno.

Questo numero tende ad adattarsi bene al modo in cui è disposta la tavola, vale a dire a collocare elementi con proprietà simili nello stesso gruppo. Per esempio, gli elementi del gruppo 1 hanno un elettrone nel loro guscio esterno e quelli del gruppo 2 ne hanno due. Ma non sempre tutto si incastra così bene.

Dove va l’idrogeno?

Prendi il primo elemento. L’idrogeno ha un elettrone nel suo guscio più esterno, quindi si potrebbe supporre che appartenga esattamente dove si trova, nel gruppo 1 sopra il litio e il sodio, che hanno anche un elettrone nel loro guscio più esterno. Eppure l’idrogeno è un gas, non un metallo, quindi le sue proprietà non si adattano.

La complicazione sorge perché, con un involucro esterno che può contenere solo due elettroni, l’idrogeno è a un elettrone dall’essere pieno. Dato che gli elementi bramano i gusci esterni pieni, questo lo rende molto reattivo. In questo senso, l’idrogeno assomiglia agli elementi del gruppo 17, cioè gli alogeni come il cloro. I loro gusci esterni hanno bisogno di guadagnare solo un elettrone per ottenere un guscio pieno di otto, il che li rende ugualmente reattivi. In termini di proprietà, quindi, l’idrogeno è più vicino al cloro che al litio.

Perché mercurio e l’oro sono così strani?

In fondo al tavolo non ci sono spazi disponibili per gli elementi fuori posto. Anche così, un paio di quelli in carica hanno l’aspetto di casi anomali. Prendete il mercurio perché è un liquido a temperatura ambiente. In questo senso, è molto diverso dagli altri membri del gruppo 12, tra cui lo zinco e il cadmio, che sono tutti metalli solidi. Che cosa dà?

Quanto più in basso nella tabella, tanto più il nucleo di un elemento contiene protoni a carica positiva. Questo crea una forza di attrazione più forte sugli elettroni in orbita, il che significa che devono viaggiare sempre più velocemente. Quando si raggiunge il mercurio, gli elettroni viaggiano al 58% della velocità della luce. Secondo la speciale teoria della relatività di Einstein, ciò significa che la loro massa effettiva è significativamente superiore alla massa normale di un elettrone, il che aggrava la forza di attrazione interna che sentono.

Il risultato è che gli elettroni del mercurio orbitano così strettamente che non possono essere condivisi per formare legami con altri atomi, come è necessario per fare un solido. La stessa cosa spiega perché l’oro è oro, un colore unico tra i metalli: effetti relativistici cambiano il modo in cui gli elettroni assorbono la luce.

mg32190401.jpg

L’enigma del blocco F

Il gruppo 3 contiene due elementi che potrebbero appartenere ad altri. Mentre ci muoviamo attraverso le file superiori del tavolo, gli elettroni riempiono i gusci in una sequenza di cosiddetti orbitali, aspettando che il guscio più interno sia pieno prima di entrare in quello successivo. Con l’elemento 57, lantanio, gli elettroni cominciano ad entrare in un nuovo tipo di orbitale, un f-orbitale. Per rendere conto di questo, la maggior parte delle tavole periodiche scavano gli elementi che compongono questo blocco f, mettendolo sotto la tavola, lasciando uno spazio nel gruppo 3.

Abbastanza giusto. Ma c’è un dibattito su quale degli elementi del blocco f dovrebbe venire prima. Alcuni chimici sostengono che la decisione dovrebbe scendere alla configurazione elettronica, che lascerebbe la tabella così com’è, con lantanio e attinio all’estremità sinistra del blocco f. Altri sottolineano che proprietà chimiche come il raggio atomico e il punto di fusione rendono il lutezio e il laurenzio, attualmente all’estremità destra, una scommessa migliore. Nel 2016, l’Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata ha costituito un gruppo di lavoro per risolvere la questione. Ma nessuno si aspetta una decisione veloce.

Ripartire da capo

Tutti questi ghirigori hanno convinto alcuni chimici che abbiamo bisogno di ridisegnare la tavola periodica – e non mancano le idee. Mark Leach della Manchester Metropolitan University, UK, mantiene il database internet delle tavole periodiche, che contiene centinaia di versioni.

Nel tentativo di rappresentare meglio la continuità in cui termina attualmente una fila, il chimico canadese in pensione Fernando Dufour ha sviluppato un sistema periodico 3D che sembra un albero di Natale, con gli elementi che si irradiano da un tronco in cerchi che si ingrandiscono più vicino al fondo. Un’alternativa è la spirale sviluppata da Theodor Benfey, che permette al blocco f di gonfiarsi verso l’esterno (vedi immagine principale, in alto).

mg32190402.jpg

Eric Scerri dell’Università della California, Los Angeles, è tra coloro che si sono espressi a favore di cambiamenti più fondamentali. In precedenza aveva proposto che la tabella potesse essere organizzata in modo da massimizzare il numero di “triadi”, insiemi di tre elementi che condividono proprietà simili e sono legati dal loro peso atomico. In questi giorni, egli sta sostenendo un approccio ancora più drastico: rendere la tabella non di 18 ma di 32 colonne, inserendo tutti i 30 elementi del blocco f tra gli attuali gruppi 2 e 3 (vedi sopra la figura”Going long”). Questo permette al numero atomico di funzionare in una sequenza ininterrotta.

Ma Guillermo Restrepo del Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences, Germania, favorisce un’alternativa. Egli ha esplorato se la somiglianza chimica degli elementi delle stesse colonne è ancora valida come 150 anni fa, data la nostra maggiore conoscenza della reattività chimica. La sua conclusione è che il lantanio appartiene al gruppo 3 – cioè fuori sequenza.

Riprogettare la tavola periodica potrebbe sembrare una ricerca quiescente, ma potrebbe presto assumere una nuova urgenza. Siamo già sulle tracce dell’elemento 119. Resta da vedere dove andrà, e come il tavolo si trasformerà per far posto ad esso.

Fonte