La tavola periodica “dimenticata” di W. Rodebush

Rinaldo Cervellati

Fra poco più di un anno, ricorre il 150° anniversario della Tavola periodica che è considerata dai chimici la pietra miliare che contiene in forma sintetica la maggior parte di tutta la scienza chimica. Anche l’home page del nostro blog ha come sfondo la tavola periodica.

Nel 1869 il chimico russo Dimitri I. Mendeleev pubblicò una tabella in cui gli elementi fino allora conosciuti erano ordinati in base al peso atomico crescente in gruppi orizzontali e periodi verticali in modo che ad ogni periodo corrispondevano elementi con proprietà fisiche chimiche simili e in ogni gruppo queste proprietà variavano allo stesso modo in cui variano le valenze degli elementi stessi. La tabella fu chiamata Sistema Periodico dallo stesso Mendeleev ed è mostrata in figura 1, tratta dal lavoro originale dell’Autore.

Figura 1

Il lavoro, intitolato Sulla dipendenza tra le proprietà e i pesi atomici degli elementi, fu pubblicato in un’oscura rivista russa [1a] quindi ripubblicato in tedesco sullo Zeitschrift für Chemie [1b]. La genialità di Mendeleev sta non solo nell’aver lasciato caselle vuote dove non trovava elementi che dovevano appartenervi, ma nell’aver previsto i pesi e le proprietà chimiche di questi, che furono poi effettivamente scoperti (ad es. il germanio fra il silicio e lo stagno, ecc.).

Nel 1871, Mendeleev pubblicò la sua tavola periodica in una nuova forma, con i gruppi di elementi simili disposti in colonne piuttosto che in righe, numerate da I a VIII in corrispondenza delle valenze minima e massima dell’elemento (Figura 2) [2].

Figura 2 (le linee tratteggiate indicano elementi ancora sconosciuti)

La tavola non poteva prevedere i gas nobili, tuttavia Mendeleev lasciò uno spazio, e quando quest’intera famiglia di elementi è stata scoperta, William Ramsay (1852-1916) riuscì ad aggiungerli come Gruppo 0, senza che il concetto di base della tabella periodica fosse modificato.

Vale la pena ricordare che tutta la costruzione di Mendeleev è stata concepita come uno strumento empirico, un modo per organizzare gli elementi secondo le loro proprietà in assenza di qualsiasi teoria. La tavola periodica è stata costruita nel 1869, 30 anni prima della scoperta dell’elettrone, 40 anni prima che Ernest Rutherford scoprisse il nucleo atomico e 50 anni prima dell’interpretazione quantomeccanica della struttura atomica. Solo all’inizio del ventesimo secolo il chimico britannico Henry Moseley (1887-1915) scoprì che il ruolo fondamentale della periodicità sta nella carica del nucleo e non nella massa degli atomi. In questo modo, si sono posti limiti precisi su quanti elementi sono rimasti da scoprire.

Nel 1945, Glenn Seaborg, chimico americano, formulò l’ipotesi che il nuovo gruppo di elementi detti attinidi stessero occupando gli orbitali 4f così come i lantanidi avevano riempito il sotto-livello 3f. Propose quindi, una tabella molto simile a quella generalmente più usata oggi (figura 3)[1]. Questo tipo di tabella è usualmente chiamata “compatta”. Nelle tabelle “compatte” gli elementi dei blocchi f (lantanidi e attinidi) sono elencati nella parte inferiore della tavola con un richiamo a uno spazio lasciato vuoto o comprendente i simboli del primo e dell’ultimo elemento del gruppo nel corpo della tabella, v. figura 3.

Figura 3 – Tavola periodica di Seaborg [3][2]

Ma Seaborg non è stato il primo a proporre la tavola periodica in forma compatta. Uno dei primi, se non il primo[3] a fare una proposta simile è stato W. H. Rodebush, di cui abbiamo già parlato, insieme a W.M. Latimer a proposito del legame a idrogeno.

Worth H. Rodebush

Worth Huff Rodebush (1887-1959) è stato uno dei “ragazzi” di G.N. Lewis a Berkeley dal 1914/5 al 1920/1, prima di trasferirsi all’University of Illinois dove diventerà full professor e Direttore del Dipartimento di Chimica Fisica nel 1924. Appassionato alla ricerca e all’insegnamento anche a livello di scuola superiore, nel 1924 tenne una conferenza al Convegno dell’Association for the Advancement of Science Sec. C, pubblicata nella rivista Science [4]. In questa conferenza Rodebush ravvisa la necessità di migliorare la presentazione della tavola periodica, ne indica i punti principali e i principali vantaggi, ma la sua tavola non è riprodotta nel testo pubblicato da Science. Probabilmente una copia fu distribuita a parte ai partecipanti. L’autore pubblica poi un articolo per il Journal of Chemical Education, dove riprende il tema [5]. Scrive Rodebush:

La vecchia Tavola di Mendeleev ha avuto [queste] virtù ma sebbene i suoi difetti siano evidenti alla luce delle recenti conoscenze, essa è ancora generalmente in uso perché non è apparsa alcuna nuova sistemazione che sia semplice e compatta. Alcune tabelle pubblicate di recente hanno il difetto di tentare di mostrare troppi dettagli. Dal momento che il numero di relazioni che esistono tra gli elementi è molto grande… è necessario sacrificare alcune relazioni…   Una soddisfacente sistemazione della tavola periodica deve ottemperare almeno le seguenti condizioni: (1) disporre gli elementi secondo il numero atomico; (2) conservare i periodi di Rydberg[4]; (3) mostrare il raggruppamento degli elettroni intorno al nucleo; (4) mostrare il numero di elettroni di valenza; (5) mostrare le reali somiglianze chimiche; (6) indicare l’entità della proprietà comunemente detta elettronegatività posseduta da ciascun elemento. Tutte le altre relazioni appaiono subordinate a quelle elencate sopra [5, p. 382].

La seguente tabella è un tentativo di sistemazione [compatta].(Figura 4)

Figura 4. La proposta di Rodebush, tratta dal rif. [5], p. 382, redatta a penna

Siamo nel 1924, la meccanica quantistica di Schrödinger e Heisenberg deve ancora essere pubblicata. Rodebush scrive quindi:

Essa [tabella] è basata sulla concezione di Bohr del raggruppamento di elettroni in orbite senza necessariamente accettare il punto di vista di Bohr circa il moto degli elettroni. Tali raggruppamenti siano essi costituiti da elettroni stazionari o in movimento su orbite li chiameremo gusci [shell], secondo la terminologia di G.N. Lewis. [5, p. 382]

Rodebush passa poi a illustrare la sua tabella, costituita da 17 colonne e sette righe o periodi. Non entriamo ulteriormente nel merito, tutte le condizioni da lui indicate sono soddisfatte. In particolare dice:

L’idrogeno è stato posto insieme agli alogeni[5]… il numero di elettroni di valenza per idrogeno e elio è scritto tra parentesi sopra ai simboli degli elementi. La struttura del guscio completo per i gas inerti è mostrata sulla destra. Alcuni preferiscono designare i gusci in ordine alfabetico con le lettere K, L, ecc. Agli elementi i cui atomi sono in grado di assumere la stessa valenza e che mostrano proprietà chimiche molto simili viene assegnata una singola casella nella tavola periodica, ad esempio le terre rare.[5, p.383]

Dalla Figura 4 è chiara l’intenzione di Rodebush di elencare a parte gli elementi della famiglia dei lantanidi (terre rare) nella parte inferiore della tavola.

Sembra addirittura che egli fosse in dubbio se isolare anche le terne (Fe, Co, Ni), (Ru, Rh, Pd), (Os, Ir, Pt) con pesi atomici e caratteristiche chimico fisiche molto simili per rendere la tavola ancora più compatta.

Infine Rodebush così conclude:

Non ho alcuna pretesa di originalità per questa sistemazione, molte variazioni e aggiunte si proporranno al critico. [5, p. 383]

Non sembra che la proposta di Rodebush sia stata rilevante, la sua tabella non compare nell’INTERNET Database of Periodic Tables, il database più completo che raccoglie e aggiorna le centinaia di forme diverse di tavole periodiche da Mendeleev ai giorni nostri [3]. La sua attenzione al riguardo non è menzionata neppure dai suoi biografi C.S. Marvel e F.T. Wall (i due scritti citati qui sono comunque riportati nell’elenco delle pubblicazioni) [6]

Nemmeno Eric Scerri, docente di chimica e storia della chimica all’University of California Los Angeles (UCLA), una autorità mondiale in filosofia della scienza, specializzato in storia e filosofia della tavola periodica, cita i lavori di Rodebush nelle sue principali pubblicazioni [7].

Una brevissima citazione dell’articolo al rif. [5] si trova invece nella II Parte nel lavoro del 1934 di G.N. Quam e M.B. Quam [8], p. 219.

Tuttavia le raccomandazioni di Rodebush sono state accolte da molti estensori di tavole periodiche, in particolare la (6) sull’elettronegatività. Parleremo del contributo dato da Rodebush sull’elettronegatività (anche esso poco noto) in un prossimo post.

Vorrei terminare con una nota di costume. La Tavola Periodica degli Elementi non è un’icona dei soli chimici, in qualche modo è entrata nell’immaginario collettivo. Sono moltissimi i gadget, dalle magliette alle tazze, dai nomi propri costruiti con le sue caselle alle calamite per lo sportello del frigo, fino alle cover per i cellulari. Sono troppi per scegliere un’immagine, vi rimando quindi a:

https://www.google.it/search?q=gadget+tavola+periodica&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwiV85L0wd7VAhVML1AKHSbjDXUQsAQILA&biw=1366&bih=613

Buon divertimento !

Bibliografia

[1a] D.I. Mendeleev, On the Correlation Between the Properties of Elements and Their Atomic Weight (in russo), Zurnal Russkogo Kimicheskogo Obshchestva 1, no. 2-3 1869 35, 60-77; [1b] D.I. Mendeleev, Über die Beziehungen der Eigenschaften zu den Atomgewichten der Elemente, Zeitschrift fur Chemie, 1869), XII, 405-406

[2] D.I. Mendeleev, Die periodische Gesetzmassigkeit der chemischen Elemente. Annalen der Chemie und Pharmacie, Supplementband, 1871, VIII, 133-229.

[3] The INTERNET Database of Periodic Tables

http://www.meta-synthesis.com/webbook//35_pt/pt_database.php

[4] W.H. Rodebush, The Subject Matter of a Course in Physical Chemistry, Science, 1924, 59, 430-433

[5] W.H. Rodebush, A Compact Arrangement of the Periodic Table, J. Chem. Educ., 1925, 2, 381-383

[6] C.S. Marvel, F.T. Wall, Worth Huff Rodebush 1887—1959, A Biographical Memoir, Biographical Memoir, National Academy of Sciences, Washington D.C., 1962

[7] a) E. Scerri, & McIntyre L, Philosophy of Chemistry: Growth of a New Discipline, Springer, Dordrecht, Berlin, 2015; b) E. Scerri, , The periodic table: Its story and its significance, Oxford University Press, New York, 2007

[8] G.N. Quam e M.B. Quam, Types of Graphic Classifications of the Elements. II. Long Charts, J. Chem. Educ., 1934, 11, 217-223, p. 219

[1] Glenn Seaborg (1912-1999) fu sconsigliato a pubblicare la sua ipotesi in quanto vi era la convinzione che gli attinidi formassero una quarta riga di blocco d. Seaborg non ascoltò il consiglio, il suo suggerimento si dimostrò corretto e nel 1951 gli fu assegnato il Premio Nobel per i suoi lavori sugli attinidi.

[2] La casella 43, lasciata vuota per molti anni, è oggi occupata dal Tecnezio (Tc), il primo elemento prodotto artificialmente, anche se successivamente la sua esistenza in natura è stata dimostrata sia all’interno, sia all’esterno del sistema solare. Anche la 61 è vuota, oggi è occupata dal Promezio (Pm), prodotto artificialmente e radioattivo.

[3] In effetti una forma “compatta”, nota come forma comune o standard, viene attribuita a Horace Groves Deming (1885-1970), un insegnante di chimica americano. Nel 1923, Deming, pubblicò il libro General chemistry: An elementary survey. New York: J. Wiley & Sons., contenente una tavola periodica di 18 colonne e 7 righe in cui le terre rare erano elencate separatamente in basso. La tavola di Deming, molto fitta, riporta numerosissimi dettagli, risultando di difficile lettura [3]. La Compagnia Merck nel 1928 e la Sargent-Welch nel 1930 ne presentarono una forma semplificata che ebbe una larga diffusione nelle scuole americane.

[4] Questo punto non è chiaro. Johannes Robert Rydberg (1854-1819), fisico austriaco è noto soprattutto per la formula che interpreta lo spettro di emissione dell’idrogeno come anche di altri elementi. E’ noto il suo interesse per i pesi atomici e la sua ricerca di un motivo per l’incremento casuale dei pesi atomici nella tavola di Mendeleev, ricerca inutile. Tuttavia ho trovato nell’INTERNET Database of Periodic Tables una tabella periodica del 1913 attribuita a Rydberg, molto sfocata che tuttavia richiama alla mente i periodi.

[5] La posizione dell’idrogeno è ancora oggi oggetto di controversia.

(v. https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table), Rodebush ritiene che le caratteristiche chimico-fisiche dell’idrogeno siano meno lontane da quelle degli alogeni, in particolare il fluoro, piuttosto che dai metalli alcalini. Deming, per essere equidistante, lo pone in alto, al centro della sua tavola, con due frecce rispettivamente verso il Litio e verso il Fluoro (v. nota 3)

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