La tavola periodica. Una brevissima introduzione

PREFAZIONE

Molto è stato scritto sulle meraviglie della tavola periodica.

Qui di seguito riportiamo alcuni esempi.

La tavola periodica è la Stele di Rosetta della natura. Per i non addetti ai lavori (inesperti), si tratta di un insieme di oltre cento caselle numerate, ognuna contenente una o più lettere, disposte secondo una particolare asimmetria. Per i chimici, tuttavia, la tavola periodica svela i principi guida della materia, vale a dire i principi che regolano la chimica. In sostanza, tutta la chimica è contenuta nella tavola periodica. 

Questo non significa, naturalmente, che tutta la chimica è evidente dalla tavola periodica. Tutt’altro. Ma la struttura della tavola periodica riflette la struttura elettronica degli elementi e, da qui, le loro proprietà chimiche ed il loro comportamento. Forse sarebbe più appropriato dire che tutta la chimica inizia con la tavola periodica. 

(Rudy Baum, C&EN Special Issue on Elements) 

L’astronomo Harlow Shapley scrive:

La tavola periodica è probabilmente l’insieme di conoscenze più compatto e significativo che l’uomo abbia mai concepito. La tavola periodica rappresenta per la materia ciò che la tabella dell’era geologica rappresenta per il tempo cosmico. La sua storia è la storia delle grandi conquiste dell’uomo nel microcosmo. 

Come Robert Hicks, uno storico della chimica, dice su un podcast in Internet: 

Forse l’icona più riconoscibile in tutta la scienza è la tavola periodica degli elementi. Questa tabella è diventata il nostro modello per stabilire come gli atomi e le molecole si dispongono nel creare la materia per come la conosciamo. Come il mondo è organizzato al livello più piccolo. Nel corso della storia la tavola periodica è cambiata. Vi sono stati aggiunti elementi nuovi appena scoperti, mentre altri elementi sono stati confutati o sia modificati che rimossi. In questo modo la tavola periodica funziona da memoria della storia della chimica, un modello per gli sviluppi attuali ed una base per il futuro delle scienze chimiche…una mappa dei più importanti elementi costitutivi del mondo. 

Come esempio finale, per ora, c’è C.P. Snow, un chimico-fisico conosciuto per i suoi scritti sulle ‘due culture’: 

[Nell’imparare la tavola per] la prima volta vidi un miscuglio di dati casuali disposti in fila ordinata. Tutta la confusione e le formule e l’accozzaglia della chimica inorganica della mia adolescenza sembrarono disporsi ordinatamente secondo uno schema davanti ai miei occhi – come se uno si trovasse in prossimità di una giungla e improvvisamente questa si trasformasse in un giardino olandese. 

Ciò che è straordinario della tavola periodica è la sua simultanea semplicità e familiarità unita al suo status veramente fondamentale nella scienza. Della sua semplicità si è fatto riferimento nelle citazioni sopra riportate. La tavola periodica sembra organizzare i componenti fondamentali di tutta la materia. Risulta anche familiare alla maggior parte delle persone. Quasi tutti coloro che possiedono anche solamente una conoscenza elementare della chimica ricordano l’esistenza della tavola periodica, persino nell’eventualità che tutto il resto che avevano imparato in chimica sia stato dimenticato. La tavola periodica risulta
familiare quasi quanto la formula chimica dell’acqua. È diventata una vera icona culturale utilizzata dagli artisti, pubblicitari e, naturalmente, dagli scienziati di ogni settore. 

Allo stesso tempo, la tavola periodica è più di uno strumento per insegnare ed imparare la chimica. Riflette l’ordine naturale delle cose nel mondo e, per quanto ne sappiamo, nell’intero universo. È costituita da gruppi di elementi in colonne verticali. Se un chimico o anche uno studente di chimica conosce le proprietà di un elemento tipico di un certo gruppo, ad esempio il sodio, lui o
lei può farsi una buona idea delle proprietà degli elementi nello stesso gruppo, come il potassio, il rubidio ed il cesio. 

Ancora più fondamentale, l’ordine insito nella tavola periodica ha portato ad una profonda conoscenza della struttura atomica ed al principio secondo cui gli elettroni circondano il nucleo disposti in specifici gusci ed orbitali. A loro volta queste disposizioni di elettroni servono a razionalizzare la tavola periodica. In generale, spiegano il motivo per cui gli elementi sodio, potassio, rubidio,
eccetera, cadono nello stesso gruppo in prima posizione. Ancora più importante la comprensione della struttura atomica, che è stata prima raggiunta nel tentativo di capire la tavola periodica, è stata poi applicata in molti altri campi della scienza. Questa conoscenza ha contribuito dapprima allo sviluppo della vecchia teoria quantistica e, successivamente, a quello del suo cugino più
maturo, la meccanica quantistica, un insieme di conoscenze che continua ad essere la teoria fondamentale della fisica che può spiegare il comportamento non solo di tutta la materia, ma anche di tutte le forme di radiazione come la luce visibile, i raggi X e la radiazione ultravioletta. 

Diversamente dalla maggior parte delle scoperte fatte nel XIX secolo, la tavola periodica non è stata confutata da scoperte fatte nei secoli XX e XXI. Piuttosto, le scoperte nella fisica moderna, in particolare, sono servite a raffinare la tavola periodica ed a risolvere alcune anomalie residue. La sua forma e validità generale sono rimaste intatte ad ulteriore testimonianza del potere e spessore
di questo sistema di conoscenza.

Prima di esaminare la tavola periodica, considereremo i suoi occupanti, gli elementi. Quindi daremo un rapido sguardo alla moderna tavola periodica e ad alcune sue varianti prima di approfondire la sua storia e come abbiamo raggiunto il nostro attuale livello di conoscenza, dal Capitolo 3.

PREFAZIONE ALLA SECONDA EDIZIONE

I responsabili della collana Brevissima introduzione mi hanno chiesto di scrivere una seconda edizione in coincidenza del 150° anniversario della scoperta della tavola periodica di Mendeleev e del fatto che il 2019 è stato proclamato Anno Internazionale della Tavola Periodica (IYPT) dall’UNESCO. 

Non occorre dire che colgo volentieri questa opportunità per correggere alcuni errori della prima edizione, che sono stati segnalati dai lettori, e fornire aggiornamenti, in quanto molti sviluppi si sono verificati nello studio della tavola periodica e problematiche relative. 

Per esempio, l’importante questione dell’occupazione dell’orbitale 4s-3d concernente la versione moderna della tavola periodica ora ha una spiegazione esauriente che soddisfa pienamente l’ordine relativo di riempimento e la ionizzazione di questi orbitali atomici. Inoltre, la rilevanza del principio di Aufbau e le sue anomalie sono state ripensate e verranno brevemente spiegate in questa
versione aggiornata. 

Ci sono stati nuovi sviluppi nel campo degli elementi di sintesi. Per esempio, dalla comparsa della prima edizione sono avvenute la ratifica e la nomenclatura degli elementi 113, 115, 117 e 118 come nihonio, moscovio, tennesso e organesso. 

Questo sviluppo rappresenta anche il completamento del settimo periodo per la prima volta da quando la tavola periodica fu scoperta. Ciononostante, è iniziato il lavoro per cercare di sintetizzare gli elementi del periodo successivo, iniziando dagli elementi 119 e 120. Gli elementi del blocco g inizieranno, almeno formalmente, proprio oltre quel punto all’elemento 121. 

Ci sono stati alcuni nuovi sviluppi riguardanti la questione su quali elementi dovrebbero occupare il gruppo 3 della tavola periodica, così come nuovi esperimenti che hanno ripercussioni sul problema del posizionamento dell’elio. 

Io spero che il lettore possa essere incoraggiato a contattarmi con qualche domanda o suggerimento su qualsiasi problematica sia stata sollevata in questo libro. 

Eric Scerri
Los Angeles
2019