domenica 4 ottobre 2015

La Tavola Periodica

Chiunque abbia mai studiato chimica sa bene che tutti gli elementi conosciuti sono raggruppati secondo un preciso ordine nella Tavola Periodica degli Elementi. La logica con cui sono distribuite le varie caselle - però - non è certo intuitiva. Ripercorriamo allora i passi che hanno portato a questa importante tabella.


 Una piccola premessa prima di incominciare:
La storia delle teorie atomiste e degli studi sulla composizione della materia è lunga e affascinante. Ho pensato che fosse un peccato omettere dettagli interessanti per scrivere un articolo più breve, ma al tempo stesso temevo che produrre una serie di articoli dedicata all'argomento fosse di troppo. Ho deciso quindi di scrivere tutto nel lunghissimo post che segue. Spero che lo troverete completo e interessante, anche se la lettura richiederà più tempo del solito.

 I pionieristici Greci

  L'idea che la materia sia suddivisibile in elementi, come moltissimi altri modelli, risale ai filosofi Greci. Quasi 2500 anni fa, Empedocle ipotizzò che questi elementi fossero fuoco, aria, acqua e terra.
Questi si sarebbero disposti naturalmente in modo che il più pesante si sarebbe sempre trovato sotto all'elemento immediatamente più leggero. Ad esempio il fuoco, che era considerato il più leggero di tutti, avrebbe preso il volo se immerso nell'aria. Questo comportamento è in effetti osservabile dando fuoco a dei pezzetti di carta.

Tuttavia, secondo Aristotele, quattro elementi non erano sufficienti a spiegare tutte le cose che ci circondano. Introdusse così un quinto elemento, ancora più leggero del fuoco: l'etere, di cui pensava fosse costituito il cielo.

 Inoltre, pochissimi anni prima degli elementi di Empedocle, il filosofo Leucippo di Mileto aveva azzardato un'altra ipotesi molto profonda. Questi sosteneva che la materia non fosse continua, ma discreta. In altre parole, Leucippo pensava che non fosse possibile suddividere la materia in particelle sempre più piccole, ma che a un certo punto si sarebbero incontrate delle particelle indivisibili, che avrebbero costituito i mattoni fondamentali della materia. 

 Il suo allievo, il ben più noto Democrito, diede a queste particelle il nome di atomi, che significa appunto indivisibili. Democrito fece anche un'altra stupefacente congettura:

 "Le diverse sostanze sono combinazioni di vari tipi di atomi, ed è possibile trasformare una sostanza in un'altra ridistribuendo opportunamente il numero di atomi che la compongono."







 Al tempo l'idea era talmente sconvolgente che filosofi del calibro di Platone e Aristotele la rigettarono totalmente. 

Tuttavia, le congetture di Leucippo e Democrito sopravvissero al corso del tempo grazie a un'insperata serie di eventi. Innanzitutto, sappiamo che circa cent'anni più tardi Epicuro di Samo le mise per iscritto. Quindi, pochi anni prima dell'anno zero, il filosofo romano Lucrezio scrisse il famoso De Rerum Natura
 Il fatto è che Lucrezio era un vero fan di Epicuro, e aveva probabilmente letto ogni suo scritto che gli era pervenuto, comprese le teorie atomiste. Gli insegnamenti tratti dall'epicureismo furono inseriti nel suo celebre poema, permettendo alle idee di Leucippo e Democrito di sopravvivere fino al Medioevo. Se foste interessati potete trovare qui il libro primo del De Rerum Natura, in cui  viene riportata la teoria atomista (tradotto ovviamente).

 Non si sa esattamente che fine fece il poema dopo la caduta dell'Impero Romano d'Occidente, ma venne ritrovato agli inizi del 1400 in un monastero tedesco. Qui fu subito copiato più volte, fino a quando la Chiesa Cattolica non ritenne l'atomismo una dottrina demoniaca.
 Ad ogni modo, la teoria era ormai stata resa nota al mondo Occidentale, ed è arrivata fino a noi.

Le scoperte degli alchimisti

 La teoria atomista non è però l'unico tassello della storia che porta
Paracelso, uno dei più grandi alchimisti
alla Tavola Periodica. Diverse scoperte fondamentali furono infatti raggiunte dagli alchimisti, anche se avevano intenti completamente diversi. L'idea da cui partivano non era in effetti molto diversa da quella di Leucippo: in alchimia si suppone che le varie sostanze siano composte da essenze elementari. Queste conferiscono ai vari materiali le loro proprietà caratteristiche, come ad esempio l'infiammabilità.


 Gli alchimisti cercavano quindi di scoprire quali fossero questi elementi basilari. In particolare ne furono identificati tre:
  • Il mercurio, che conferiva ai materiali  le proprietà metalliche.
  • Lo zolfo, che conferiva l'infiammabilità.
  • Il sale, che conferiva la resistenza al calore.
Ciò era molto importante perché si pensava che aggiungendo una certa essenza a una sostanza questa si sarebbe trasformata in un'altra, con le proprietà fornite dall'essenza introdotta.
 Quello che gli alchimisti cercavano disperatamente era quindi una "ricetta" per trasformare qualunque metallo poco prezioso in oro puro. Ciò avrebbe reso ricco non solo l'alchimista stesso ma anche chi lo finanziava, motivo per cui diversi sovrani - e non solo - investirono numerosi fondi nella ricerca dell'ambita ricetta.

 Immagino che vi stiate chiedendo cosa c'entra questo con la tavola
Acido Solforico
periodica! Il fatto è che cercando di produrre l'oro, gli alchimisti scoprirono moltissime altre sostanze, come gli acidi minerali: nitrico, cloridrico e solforico. Questi tre furono importantissimi perché permettevano di scomporre facilmente le sostanze composte, in modo da ottenere i costituenti fondamentali. 

 Tuttavia migliaia di anni di ricerca non avevano portato a nessuna ricetta miracolosa. Attorno al Sedicesimo Secolo ottenere fondi per la ricerca era diventato così difficile che molti alchimisti furono costretti a ricorrere a giochi di prestigio per far credere di essere in grado di produrre vero oro. Queste tecniche truffaldine non giovarono certo alla reputazione dell'alchimia, al punto che questa fu costretta a mutare il proprio nome in chimica.
I primi successi 
 Fu Robert Boyle, uno dei primi chimici, a fornire la prima definizione moderna di elemento chimico
"Un elemento è una sostanza che si può combinare con altri elementi per formare composti, ma che non può essere scomposta in sostanze più semplici."  






Ad ogni modo, bisognerà attendere il '700 perché si cominci a fare chiarezza su quali sostanze possono essere scomposte e quali no. Nessuno degli elementi greci si rivelò essere un elemento chimico:
  • la terra è evidentemente composta da più sostanze
  • il fuoco è semplicemente plasma, un altro stato della materia. Sostenere che il fuoco sia un elemento non è molto diverso dall'affermare che tutte le cose solide siano costituite dallo stesso elemento, ed è chiaramente falso
  • Cavendish mostrò che l'idrogeno poteva essere mischiato con l'ossigeno formando acqua, che quindi non poteva essere un elemento chimico.
  • Lavoisier scompose l'aria in azoto e ossigeno.
Tuttavia, gli elementi alchemici si rivelarono essere anche elementi chimici (a parte il sale ovviamente). Il punto è che furono identificate anche altre sostanze che non si era in grado di scomporre: ferro, rame, stagno, piombo, argento, oro, fosforo, carbonio e arsenico. A questi si aggiungevano altre 23 sostanze che non si riusciva a scomporre, ma che furono scisse in componenti fondamentali in seguito.
 Un'altra scoperta fondamentale si deve a Joseph Louis Proust:
"Il carbonato di rame contiene sempre le stesse proporzioni in peso di rame, carbonio e ossigeno." *(per l'esattezza:

  • 5 parti di rame
  • 4 parti di carbonio
  • 1 parte di ossigeno
  • )






     Questa scoperta, per quanto possa sembrare insignificante, racchiude il concetto su cui si basa tutta la chimica. Difatti, questo può essere spiegato solamente assumendo che i composti siano formati dall'unione di piccoli numeri di pezzetti di ogni elemento, che possono combinarsi solo come oggetti interi.
    In tributo a Democrito, a questi "pezzetti" si diede il nome di atomi.

     Non parleremo ora di come la teoria atomica venne accettata dopo una lunga serie di conferme. Questo richiederebbe come minimo un articolo intero! Ci limitiamo ad accettare a nostra volta queste ipotesi, e facciamo un lungo salto temporale fino alla seconda metà del 1800.

    La tavola periodica

     Ben presto la necessità di individuare un certo ordine tra gli elementi chimici cominciò a farsi sentire. La lista degli elementi basilari infatti si allungava sempre più, e ogni elemento sembrava diverso da tutti gli altri.

    La Tavola di Chancourtois
     Il primo indizio di una certa regolarità tra gli elementi chimici venne scoperto nel 1862 da Chancourtois, un geologo francese. Sembrava infatti che, ordinando gli elementi atomici in ordine di peso crescente in una particolare tabella, si potesse fare in modo che gli elementi con caratteristiche simili si disponessero lungo le colonne verticali. 

     Tuttavia c'era un problema: non erano ancora stati scoperti tutti gli elementi chimici. Di conseguenza Chancourtois avrebbe dovuto inserire dei "buchi" nella sua tavola per sopperire alla mancanza degli elementi ancora ignoti.

     Fu invece il chimico russo Dimitrij Mendeleev a costruire una tabella che si basasse non solamente sull'ordine di peso crescente, ma raggruppasse gli elementi in colonne verticali anche sulla base delle loro proprietà chimiche. In questo modo comparivano i buchi che sarebbero stati riempiti successivamente con i nuovi elementi. Inoltre la tavola di Mendeleev permetteva di intuire quali proprietà avrebbero dovuto avere gli elementi ancora sconosciuti! Ogni elemento incognito avrebbe dovuto avere le proprietà degli altri elementi che occupavano la stessa colonna in cui sarebbe stato incluso. La tavola fu chiamata Periodica proprio in virtù del fatto che le caratteristiche degli elementi erano riprodotte periodicamente in ogni nuova riga. Il risultato ottenuto da Mendeleev era questo:
    La Tavola Periodica di Mendeleev
      Ben tre degli elementi mancanti furono scoperti nei successivi 17 anni, il ché sancì il successo della tavola periodica di Mendeleev.

    Gli elementi mancanti

     Negli anni seguenti la caccia ai nuovi elementi conobbe un periodo di magra. Al tempo non si poteva sapere, ma erano stati scoperti tutti gli elementi stabili, ovvero tutti quegli elementi che non cambiano natura spontaneamente se lasciati a sè stessi per un po' di tempo. All'appello mancavano ancora tutti gli elementi radioattivi, che invece mantengono la loro identità per un certo periodo, fino a quando non si trasformano in un qualche altro elemento. Questo processo è detto decadimento radioattivo, e ci torneremo in seguito.

    I coniugi Curie
     Bisognerà aspettare gli ultimi anni del Diciannovesimo Secolo per raggiungere nuovi risultati. Il fenomeno della radioattività fu infatti reso noto solo nel 1903, ad opera di Marie Curie, Pierre Curie ed Henri Becquerel. Ricevettero tutti il Nobel per le loro rivelazioni.

     Ad ogni modo, la scoperta della radioattività aprì le porte a nuovi metodi di ricerca di elementi chimici. Nei successivi vent'anni vennero quindi identificati elementi come uranio, torio, polonio, radio, attinio, protoattinio e radon. 

     Rimanevano però ancora i quattro buchi corrispondenti agli atomi con numero atomico (o numero di protoni) pari a 43, 61, 85 e 87. Forte delle nuove tecniche e dei recenti successi, gran parte del mondo scientifico si diede alla ricerca degli elementi mancanti. In particolare, sempre grazie alle proprietà della tavola periodica, si prevedeva che gli elementi 43 e 61 fossero stabili, e quindi che fosse possibile trovarne in natura, mentre l'85 e l'87 avrebbero dovuto presentare una certa radioattività.

     Il primo ad essere scoperto fu l'elemento 43. Questo venne ottenuto bombardando del molibdeno con nuclei di deuterio **(un piccolo nucleo formato da un protone e un neutrone) secondo un procedimento non molto dissimile da quello che

    Molibdeno, la materia prima per produrre il Tecnezio
    abbiamo già incontrato qui. La sorpresa fu che quest'elemento, diversamente da quanto atteso, presentava una certa radioattività. Ciò spiegava anche perché non era ancora stato osservato in natura: semplicemente non ce n'era! Questo fu il primo elemento creato artificialmente, per cui si decise di chiamarlo tecnezio, che significa appunto artificiale.

     L'elemento 87 venne invece identificato nel 1939 tra i prodotti di decadimento dell'uranio (ovvero come uno di quegli elementi in cui si trasformava l'uranio a seguito del decadimento) e venne chiamato francio. La caratteristica che aveva reso il francio così difficile da osservare è la sua intensissima tendenza a decadere. Si tratta infatti dell'elemento della tavola periodica che decade più rapidamente. 
     L'anno seguente vennero identificati anche gli elementi 85 e 61. Il primo prese il nome di astato, e fu sintentizzato bombardando del bismuto con nuclei di deuterio. Si tratta quindi del secondo elemento prodotto artificialmente. L'elemento 61 invece fu trovato in piccole quantità tra i prodotti della fissione dell'uranio, e prese il nome di promezio.

     Insomma, all'inizio degli anni '40 la tavola periodica comprendeva ben 92 elementi! Fortunatamente, proprio in quegli anni fu scoperta la tecnica che permetteva di trasformare un elemento in quello con numero atomico immediatamente superiore. Abbiamo già parlato di questa tecnica nell'articolo sulla fissione nucleare, al quale porta il link che ho inserito poco sopra.

     Ciò permise di sintetizzare i cosiddetti elementi transuranici,
    Uranio, per molto tempo considerato l'elemento più pesante
    ovvero quegli elementi che avevano numero atomico maggiore di quello dell'uranio (92). Questo metodo è applicato ancora oggi, con opportune modifiche, nella ricerca di nuovi elementi. La difficoltà principale che si incontra sta nel fatto che gli elementi più "recenti" decadono così rapidamente che è molto difficile bombardarli prima che questi cambino natura. Basti pensare che nel 1994 è stato possibile creare solo tre atomi di roentgenio (elemento 111) prima che questo decadesse!

    Le terre rare

     Il successo della tavola periodica di Mendeleev è ormai evidente. Questa permette di prevedere con grande precisione quali proprietà avranno gli elementi che non sono ancora stati scoperti e di suddividere ordinatamente quelli che sono già noti. Insomma, è uno strumento scientifico eccezionale - o meglio... lo sarebbe se quello che sto per raccontarvi non fosse mai accaduto.
     Sul finire del 1700, Carl Arrhenius, un militare svedese, prese parte alla guerra russo-svedese. A voler essere precisi, Carl era un tenente del reggimento di artiglieria svedese, che aveva base vicino a Stoccolma.

     Arrhenius era appassionato di mineralogia e chimica, e sapeva bene che la base del reggimento non si trovava molto lontano dai giacimenti di feldspati (un tipo di minerale) di Ytterby. Decise quindi di fare visita alle miniere durante un periodo di riposo.

     Recatosi a Ytterby, Carl tentò di identificare la natura chimica di
    Le miniere di Ytterby
    tutti i minerali lì presenti. Aveva una certa dimestichezza con il mestiere, per cui rimase di stucco quando gli si presentò davanti una roccia nera che sembrava diversa da qualunque altra sostanza avesse mai osservato.

     Incuriosito, decise di inviare un campione della pietra a un suo amico, Johan Gadolin, uno studioso ben più esperto di lui che conduceva ricerche nel campo. Johan non si fece sfuggire l'occasione di esaminare la roccia, e con sua grande sorpresa scoprì che non era costituita da nessuno degli elementi chimici noti fino ad allora. Concluse quindi che doveva essere costituita da un nuovo elemento, che chiamò ittrio (da Ytterby).

     Ma le novità erano tutt'altro che finite... Johan fece esaminare la roccia anche ad altri chimici, e si scoprì che questa non conteneva uno, ma quattro nuovi elementi chimici. Anzi, nel secolo seguente questi elementi divennero ben 14! A questi si da il nome collettivo di terre rare. Ma allora dove sta il problema? Con la nuova strabiliante scoperta si cercò subito di inserire i nuovi elementi nella tavola periodica. Basandosi sul peso atomico e sulle proprietà chimiche dei nuovi elementi, questi avrebbero dovuto essere inseriti tra il lantanio e l'afnio. Il fatto è che tutte le terre rare avevano proprità molto simili a quelle del lantanio, mentre la tavola periodica predice che gli elementi adiacenti sulla tavola periodica devono avere proprietà differenti. 

     Sembra insomma che nessuna delle terre rare trovi un posto adeguato nella tavola periodica. Questo costrinse i chimici a raggruppare tutte le terre rare in un'unica casella tra lantanio e afnio, che normalmente è riportata al di sotto della tavola vera e propria. Oggi ci riferiamo a questi elementi col nome di lantanoidi. La stessa sorte toccò a un'altra serie di elementi, chiamati attinoidi, che vanno inseriti tra attinio e rutherfordio e che comprendono elementi come uranio e torio.

    Conclusioni

     Oggi la tavola periodica è considerato uno strumento indispensabile, al punto che le persone che la utilizzano quotidianamente talvolta si dimenticano di quanto affascinante sia la sua storia. Questo lunghissimo articolo può forse darci un'idea di come si sia arrivati a questo:

    La Tavola Periodica degli Elementi
     Se per voi la tavola periodica era solo una tabella che si imparava a memoria studiando chimica forse questo post vi ha fatto cambiare idea, o almeno questo era il mio intento.

    Se ti è piaciuto l'articolo non dimenticare di condividerlo!



    Grazie per aver letto fin qui,

    Giulio


    Immagini tratte da:
    www.drogbaster.it
    www.associazioneayurvita.org
    https://it.wikipedia.org/wiki/Democrito
    https://it.wikipedia.org/wiki/Paracelso
    www.giornalettismo.com
    www.crystalinks.com
    www.biografiasyvidas.com
    https://it.wikipedia.org/wiki/Cronologia_della_chimica
    https://it.wikipedia.org/wiki/Tavola_periodica_degli_elementi
    http://laraserafino.altervista.org/pierre-marie-curie-coppia-scienza/ 
    http://www.minerva.unito.it/chimica&industria/sistemaperiodico/molibdeno2.htm 
    u-238.com.ar
    https://it.wikipedia.org/wiki/Ytterby



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