La Tavola Periodica fra chimica e fisica

Rinaldo Cervellati

Nel 2019 cade il 150° anniversario della pubblicazione della prima Tavola Periodica degli elementi. L’UNESCO ha voluto celebrare l’avvenimento proclamando il 2019 Anno Internazionale della Tavola Periodica degli Elementi.

Una delle prime riviste che ha fornito un contributo all’evento è stata Chemistry & Engineering news, affermando che nonostante la Tavola Periodica campeggi in ogni aula di chimica del mondo e sia uno dei simboli più riconoscibili della scienza chimica, storici e filosofi della chimica stanno ancora dibattendo su quale sia la migliore interpretazione della Tavola e di conseguenza la sua miglior rappresentazione [1].

Ripercorriamo brevemente la genesi già presentata in un post pubblicato su questo blog [2].

Nel 1869 il chimico russo Dmitri I. Mendeleev (1834-1907) pubblicò una tabella in cui i 56 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 [3a].

Figura 1.

Il lavoro, intitolato Sulla dipendenza tra le proprietà e i pesi atomici degli elementi, fu pubblicato in un’oscura rivista russa [3a] quindi ripubblicato in tedesco sullo Zeitschrift für Chemie [3b]. 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 atomici 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[1].

Lemonick [1] sostiene che Mendeleev apparentemente organizzò la sua tavola in base al peso atomico crescente, ma diede piuttosto alle proprietà chimiche un ruolo decisivo. Ad esempio, il tellurio è leggermente più pesante dello iodio ma Mendeleev mise il tellurio prima dello iodio perché ha la stessa valenza di ossigeno, zolfo e altri elementi di quel gruppo.

Al tempo di Mendeleev nulla si sapeva circa la struttura interna degli atomi, il modello atomico di Rutherford è del 1909-1911, il concetto di numero atomico si deve a Moseley (1911), sicché Mendeleev non poteva sapere che il tellurio ha un minor numero di protoni – e quindi ha numero atomico inferiore. Quindi gli elementi nella Tavola periodica sono ordinati in base al numero atomico crescente.

Gli anni successivi al 1871 videro la scoperta di molti nuovi elementi che in base alle previsioni di Mendeleev andarono a riempire le caselle vuote e la tavola si arricchì di una colonna, quella dei gas nobili (gruppo 0). Sta comunque di fatto che la scoperta della maggior parte dei nuovi elementi è stata fatta secondo manipolazioni chimiche sulle indicazioni fornite dalle loro previste proprietà.

Insieme ai protoni arrivò la scoperta degli elettroni e l’idea quantomeccanica degli orbitali atomici. Questi risultati hanno fornito un nuovo tipo di logica per il sistema periodico. Sebbene l’organizzazione del sistema di Mendeleev non fosse cambiata, gli scienziati ora potevano vedere che era la struttura elettronica a stabilire le proprietà degli elementi e a spiegare perché i membri dello stesso gruppo avessero proprietà simili. La regola di Madelung, o principio aufbau, che impone che gli elettroni riempiano prima l’orbitale 1s e poi i 2s e i 2p e così via, ha ulteriormente fatto luce su come si ordinano gli elementi [1].

Questo ci porta alle tavole odierne che non sembrano così diverse dalle versioni che il famoso chimico Glenn T. Seaborg (1912-1999)[2] disegnò negli anni ’40. Seaborg spostò gli elementi del blocco-f, chiamati anche la serie dei lantanidi e degli attinidi, fuori dalla tavola principale elencandoli 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, fig. 2.

Questa decisione è generalmente considerata come una concessione alla convenienza e cioè che la Tavola si adatti a un foglio di carta standard [1].

Seaborg incluse 15 elementi nel suo blocco f. Ciò non ha molto senso dal punto di vista della configurazione elettronica, poiché gli orbitali f possono ospitare solo 14 elettroni.

Figura 2. Tavola Periodica di Seaborg (1940).

Ma molte tabelle, inclusa la tabella sul sito web dell’Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC), che ha l’ultima parola sulla terminologia chimica, condividono questa caratteristica (figura 3).

È un modo per evitare una delle domande più controverse sulla tavola periodica: quali elementi appartengono al gruppo 3? Nessuno contesta lo scandio e l’ittrio. Ma quali elementi vengono al di sotto di questi due? Lantanio e attinio? O lutezio e laurenzio

Figura 3. Tavola Periodica IUPAC- La questione del gruppo 3 viene evitata.

Attualmente non c’è uniformità nelle tabelle periodiche che si trovano in aule, laboratori e libri di testo. Alcuni evitano la questione del gruppo 3 e usano un blocco di 15 elementi. Altri mettono La e Ac nel gruppo 3, e altri ancora pongono Lu e Lr, con il resto del blocco f sottostante.

La IUPAC ha convocato un gruppo di lavoro con il compito di dare una raccomandazione definitiva in un modo o nell’altro.

Philip Ball, uno scrittore scientifico e membro del gruppo di lavoro, dice che il dibattito si riduce alla questione fondamentale se debba essere la “fisica” o la “chimica” a dirimerla. Detto in altre parole il gruppo sta discutendo se schierarsi con la fisica quantistica che determina le configurazioni elettroniche degli elementi o con le proprietà e il comportamento chimico degli elementi.

Dal lato del comportamento chimico c’è Guillermo Restrepo, un chimico matematico del Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences. Restrepo ha una visione storica di come dovrebbe essere organizzata la tavola. Indica Mendeleev e i suoi contemporanei, che hanno proposto i loro sistemi periodici studiando le proprietà chimiche degli elementi, spesso attraverso il loro comportamento reattivo. “Al centro del sistema periodico, c’è la chimica“, afferma Restrepo.

Restrepo e colleghi hanno analizzato circa 4.700 composti binari contenenti 94 elementi per determinare come le reazioni chimiche informino il sistema periodico [4]. Le molecole potrebbero consistere di più di un atomo ma solo di due elementi. Applicando la teoria delle reti e l’analisi topologica, i ricercatori hanno creato una mappa che raggruppa elementi vicini che formano composti. Ad esempio, il cloro, il bromo e gli altri alogeni si accostano l’uno all’altro perché si legano tutti con gli stessi elementi. Restrepo afferma che questa mappa di somiglianze mostra che il lantanio è più simile allo scandio e all’ittrio rispetto al lutezio, quindi dovrebbe essere nel gruppo 3. Ma la stessa analisi non fornisce una risposta su Lr versus Ac. Restrepo dice che il problema è che non ci sono molti dati su come Lr e Ac si legano ad altri elementi. Mentre ci sono decine di migliaia di composti che si possono usare per studiare le somiglianze di Sc, Y, La e Lu, Ac fornisce solo circa 70 punti dati, e Lr, meno di 40.

Eric Scerri, storico della chimica e filosofo della scienza all’Università della California, a Los Angeles, presidente del gruppo di lavoro IUPAC, non è d’accordo. Ritiene che Sc, Y, Lu e Lr dovrebbero essere elementi del gruppo 3, ma pensa che focalizzare l’attenzione sulle proprietà chimiche o fisiche sia fuorviante. “Si dovrebbe invece utilizzare un qualcosa di fondamentale”, come ad esempio la configurazione elettronica. Non che la configurazione elettronica sia la scelta perfetta dice però Scerri. In termini di riempimento degli orbitali sono state fatte eccezioni per alcuni elementi nella tavola periodica, come il rame. Con la logica della tavola periodica, tutti gli elementi del blocco-d avrebbero dovuto riempire gli orbitali s. Ma il rame sfida questa logica. Dovrebbe avere la configurazione elettronica [Ar] 3d⁹ 4s². Invece, il suo orbitale atomico 4s rimane semivuoto, e un elettrone entra nel suo guscio 3d, portando alla configurazione [Ar] 3d¹⁰ 4s¹, che è più stabile. Scerri vede una logica ancora più semplice per interpretare la Tavola risolvendo nel contempo la questione del gruppo 3: il numero atomico.

“Il mio suggerimento è semplicemente questo”, dice Scerri. “Rappresentare la tavola periodica nel formato a 32 colonne.“

Secondo Scerri la rappresentazione a 32 colonne è la forma più naturale per la Tavola periodica, visto che quella a 18 colonne obbedisce solo a una questione di praticità.

Figura 4. Tavola periodica a 32 colonne.

Una tabella a 32 colonne (figura 4) utilizza i numeri atomici come fondamento logico, non solo risolve la questione del gruppo 3 ma Scerri aggiunge che 32 colonne sarebbero più corrette perché collocherebbero il blocco-f nella sua giusta posizione: all’interno della tavola anziché all’esterno per comodità. In una tabella a 32 colonne ordinata per numero atomico crescente, il lantanio (numero atomico 57) segue il bario (numero 56) per avviare il blocco f, con l’attinio sotto di esso. Ciò rende il lutezio il primo elemento nella terza riga del blocco-d, con sopra scandio e ittrio e il laurenzio sotto a formare il gruppo 3. La stretta aderenza al numero atomico soddisfa il desiderio di Scerri di un principio organizzativo fondamentale eludendo in modo chiaro riferimenti a proprietà chimiche o fisiche.

Riguardo all’ordine di riempimento degli orbitali va sottolineato che molti chimici ritengono che potrebbe non reggere più a lungo. Alcuni calcoli mostrano che la regola di Madelung non vale più a numeri atomici molto alti a causa degli effetti relativistici. Gli elettroni di atomi pesanti si muovono così velocemente che il loro comportamento – e le proprietà degli atomi cui appartengono – iniziano a cambiare.

Philip Ball, Guillermo Restrepo ed Eric Scerri, membri della Commissione IUPAC per la Tavola Periodica.

I fan degli effetti relativistici saranno felici di sapere che c’è anche una tabella per loro. Pekka Pyykkö, un chimico teorico dell’Università di Helsinki, ha calcolato le configurazioni di elettroni fino all’elemento 172 e ha proposto una diversa versione della tavola [5]. Pyykkö non si preoccupa della questione del gruppo 3. La sua tabella lascia un buco sotto ittrio e ha tre file di 15 elementi in un blocco-f posto sotto la tavola principale [1]. E non è così limitata dai numeri atomici. Ad esempio, l’elemento 164 è seguito dagli elementi 139, 140 e poi 169. Secondo i calcoli di Pyykkö, 139 e 140 sono i primi elementi con gli elettroni nell’orbitale 8p.

Infine, al di là delle disquisizioni, c’è una fantasia senza limiti: sono state e vengono proposte forme della tavola le più stravaganti. Alcune tabelle sembrano anelli o spirali. Alcune sono in 3-D. Come ho scritto nel precedente post [2] si può consultare l’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 [6].

Bibliografia

[1] S. Lemonick, The periodic table is an icon. But chemists still can’t agree on how to arrange it., Chem. Eng. News, 2019, 97(1)

https://cen.acs.org/physical-chemistry/periodic-table/periodic-table-icon-chemists-still/97/i1

[2] https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/09/08/la-tavola-periodica-dimenticata-di-w-rodebush/

[3a]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 186935, 60-77; [3b] D.I.

Mendeleev, Über die Beziehungen der Eigenschaften zu den Atomgewichten der Elemente, Zeitschrift fur Chemie, 1869, XII, 405-406a

[4] W. Leal, G. Restrepo, A. Bernal, A Network Study of Chemical Elements: From Binary Compounds to Chemical Trends., MATCH Commun. Math. Comput. Chem., 2012, 68, 417-442.

[5] P. Pyykko, A suggested periodic table up to Zr>172, based on Dirac–Fock calculations on atoms and ions., Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 161–168.

[6] The INTERNET Database of Periodic Tables

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

[1] Questa è sostanzialmente analoga alla forma in cui si presenta la maggior parte delle tavole odierne.

[2] Glenn Seaborg (1912-1999) chimico statunitense. Nel 1940 sintetizzò il plutonio (n 94). Successivamente, con metodi radiochimici isolò nel 1944 l’americio (n 95) e il curio (n 96), nel 1949 il berkelio (n 97) e il californio (n 98), nel 1953 l’einsteinio (n 99) e i fermio (n 100). Premio Nobel per la chimica 1951 per i suoi studi sugli attinidi