Come è nata la prima “Tavola Periodica “ di Mendeleev ?

Roberto Poeti

Il museo

Penso non ci possa essere per un chimico una emozione tanto forte come quella che si prova visitando l’appartamento di Mendeleev all’Università di San Pietroburgo . Vi abitò dal 1867 al 1890 . L’appartamento si trova al pianterreno della Facoltà di Chimica ed era comunicante con il suo laboratorio . Dal 1911 , quattro anni dopo la sua morte , è stato trasformato in Museo . Ho visitato il Museo nel 2009 in occasione di un viaggio a San Pietroburgo . La cosa paradossale è che non avevo idea dell’esistenza di questo patrimonio . Il penultimo giorno di permanenza a San Pietroburgo mi sono accorto , consultando per l’ennesima volta la guida , che in un angolino , a caratteri minuti , era riportata la notizia dell’esistenza del museo. Quindi in pieno Ferragosto , giorno feriale in Russia , sono riuscito a trovare con difficoltà il museo e a visitarlo . Una visita tutta in solitario , con la Dott. Natalia che mi faceva da cicerone senza parlare inglese , ma leggendo le informazioni scritte in inglese da un suo quadernetto di appunti . Mi è sembrato di visitare un piccolo museo di paese senza ostentazioni , tutto molto informale . Quando si entra nell’ appartamento, dopo aver percorso alcune stanze , si arriva allo studio . Qui il tempo si è fermato , tutto è rimasto come era alla morte di Mendeleev. In un lato dello studio c’è la sua scrivania , la sua poltrona , gli scacchi . Ed è proprio qui che Mendeleev, ha fatto i suoi primi tentativi di sistemare gli elementi .

Lo studio di Mendeleev con la scrivania dove ha concepito la Tavola Periodica                                                                                                                                           Durante la visita ho potuto scattare molte foto , comprese copie di appunti che Mendeleev ha tracciato su alcuni fogli su cui sono rappresentati schemi di sistemazione degli elementi . Analizzando il contenuto di questi documenti in relazione alla loro cronologia si può seguire il cammino che ha compiuto M. per arrivare alla sua prima stesura della T.P. che dà alle stampe il 17 Febbraio 1869 e che intitola “ Un tentativo di sistemare gli elementi secondo i loro pesi chimici e le funzioni chimiche “ .

 Il contesto scientifico

Vediamo prima il contesto in cui si inserisce la scoperta di M. . Pochi anni prima al congresso di Karlsruhe ( 1861 ) era stato definito ad opera di Cannizzaro un metodo rigoroso per la determinazione dei pesi atomici. M. giovane chimico partecipa al congresso ed è tra quelli che è fortemente impressionato dalla soluzione proposta da Cannizzaro . Da quel momento i pesi atomici escono dalla ambiguità che li aveva prima caratterizzati e diventano uno dei parametri fondamentali dell’identità degli elementi . Si aggiungono a proprietà come la valenza , pesi specifici, calori specifici , volumi atomici , formazione e natura dei composti . Quest’ultimi sono stati studiati a fondo per anni da M. L’esigenza di passare dallo specifico al generale , cioè dal confronto di pochi elementi ad uno schema generale di classificazione che comprenda tutti gli elementi , diviene sempre più impellente . Nel 1867 a M. viene affidata l’importante cattedra di Chimica all’Università di San Pietroburgo , carica che era occupata prima dal suo mentore Voskresenskii . La riforma dei pesi atomici e la scoperta di nuovi elementi ha reso tutti i precedenti libri di testo superati e ha fatto emergere la necessità di un loro aggiornamento .

Un nuovo libro di testo

E’ questa esigenza che M. sente così importante e urgente . C’è bisogno di un nuovo libro di testo per la formazione chimica degli studenti universitari russi , ” Ho cominciato a scrivere [Principi] quando ho iniziato a tenere lezioni sulla chimica inorganica all’Università dopo [la partenza di] Voskresenskii e quando, dopo aver dato una occhiata a tutti i libri, non ho trovato nulla da consigliare agli studenti “. Così si accinge a scrivere nel 1868 il libro “ Principi di Chimica“. E’ un’opera che tratta in modo esteso la Chimica Generale e Inorganica . La prima parte dell’opera viene completata alla fine del 1868 . Vi sono trattati gli elementi H , O , N , C , detti elementi organogenesi , in ogni dettaglio . Ha ordinato gli elementi secondo la loro valenza . Segue per ultimo la trattazione del gruppo degli alogeni, considerati fortemente non metallici . Verso la metà di febbraio del 1869 completa i primi due capitoli della seconda parte dell’opera presentando i metalli alcalini , speculari agli alogeni, fortemente metallici e entrambi con valenza uno . Si presenta ora in tutta la sua acutezza il problema che si era già presentato nello stendere il piano preliminare della seconda parte dell’opera e cioè quali elementi trattare dopo i metalli alcalini , ma più in generale quale schema adottare nella trattazione di tutti gli elementi conosciuti . Ha trattato 8 elementi , ne restano 55 ( gli elementi conosciuti erano 63) . Ritiene sia necessario che gli elementi siano sistemati con un criterio più rigoroso , come poteva essere quello numerico . E’ una esigenza di tipo pedagogico quella che determina la necessità di ordinare in un sistema coerente gli elementi . L’obbiettivo è essenzialmente quello di preparare un testo aggiornato e utile per gli studenti .

Una persona poliedrica

Con questo assillo il giorno 17 febbraio inizia la giornata preparandosi per un viaggio di dieci giorni , da tempo programmato , che lo avrebbe portato a visitare diverse cooperative di prodotti lattiero – caseari in alcuni distretti della Russia centrale . M. è una persona poliedrica , sensibile alle tematiche sociali , fornisce la sua collaborazione volontaria alla Società Economica di San Pietroburgo , una associazione diremmo oggi no-profit. Nella prima decade della seconda metà dell’ottocento la Russia , sotto lo Zar Alessandro II Romanov , vede l’attuazione di importanti riforme come l’abolizione della servitù della gleba che emancipa quaranta milioni di contadini , la riforma della giustizia, dell’istruzione , della stampa . Si creano ogni tipo di cooperative , crescono le piccole aziende artigiane. M. che ha sempre combattuto per le forme più avanzate di sviluppo economico nel suo paese fu un ardente fautore di queste nuove forme di produzione . Collabora con la Società Economica che aiuta e stimola queste forme associative.

La prima bozza

Ed è proprio la mattina del 17 Febbraio ( secondo il calendario Juliano ) mentre fa colazione , prima della partenza in treno, che M. riceve una lettera dal segretario dell’Associazione delle Cooperative che lo informa sui particolari del viaggio . Sul retro della lettera , sulla quale è rimasta l’impronta della tazza della bevanda che stava sorseggiando , M. traccia il primo appunto della giornata , il documento della Fig.1 . La sua giornata inizia in modo agitato tra i tempi stretti di una partenza e il pensiero pressante sul libro che sta scrivendo . Cosa contiene la prima bozza della giornata?

E’ il primo tentativo di ricerca di un criterio numerico per la sistemazione degli elementi . La scelta di M. cade sul peso atomico . Occorre precisare che il peso atomico aveva avuto un posto secondario nella trattazione degli elementi presenti nell’opera che stava in questo stesso periodo scrivendo . Il peso atomico era usato come una qualità secondaria che mostrava l’ordine gerarchico all’interno di una famiglia di elementi . Cosa rappresentano i numeri ?

La prima serie di numeri è attribuibile al peso atomico degli elementi alcalini , la seconda serie ad un gruppo di metalli con valenza due (rimane incerta la prima posizione ): ? , Mg , Zn , Cd. I pesi atomici dei due gruppi sono disposti in ordine crescente .

La novità sta nel confronto tra i pesi atomici di coppie di elementi dei due gruppi che si corrispondono . E’ in questo momento della mattinata che Mendeleev concepì l’idea di confrontare elementi chimicamente diversi in termini di grandezza dei loro pesi atomici . E questo confronto lo realizzò attraverso la differenza tra i loro pesi atomici .

Mendeleev sta lavorando in modo concitato , tallonato dagli impegni assunti , al punto che la sistemazione degli elementi diventa la priorità . Rinvierà poi il viaggio sprofondandosi nel nuovo compito . Ma da questo primo e confuso tentativo è sorprendente che nel volgere della giornata , attraverso momenti di stress e di depressione , come testimonia l’amico Inostrantzev che quel giorno gli ha fatto visita , raggiunga , come vedremo , il risultato rappresentato dalla compilazione della prima tavola periodica .

Un secondo tentativo

Da questo primo tentativo , confrontando i metalli alcalini con il gruppo di altri metalli , M. non ha ottenuto come risultato uno schema che lo convince . Tuttavia insiste sul criterio adottato , cioè la differenza tra pesi atomici . In un altro appunto sparso che ci ha lasciato e si suppone segua quello precedente ordina questa volta in una tabella i gruppi di non metalli, a valenza crescente , più noti in quel momento .

Il criterio principale che segue nel comporre questa tabella è sempre costituito dal confronto tra i pesi atomici degli elementi di gruppi adiacenti . In tutti questi casi , eccetto uno ( Tellurio) , il peso atomico di elementi successivi di gruppi diversi in una colonna decresce di circa la stessa quantità , poche unità atomiche . Ne segue che la posizione di un elemento è corretta se la dimensione del suo peso atomico rispetto agli elementi diversi , adiacenti nella stessa colonna , è di poche unità . Questo criterio acquisterà sempre più , mano a mano che progredisce nella costruzione del suo sistema , un rilievo dominante . A questo proposito nella relazione “ La correlazione delle proprietà e dei pesi atomici degli elementi “ che scrive per la Società Chimica Russa ( 6 Marzo 1869 ) , poco tempo dopo la compilazione della sua prima T.P. , renderà esplicita la scelta di questo criterio :

Lo scopo del mio saggio sarebbe interamente raggiunto se riuscissi ad attrarre l’attenzione degli studiosi verso le relazioni tra le dimensioni dei pesi atomici di elementi non simili [di gruppi diversi ] , che , mi sembra , siano state fino ad oggi ignorate“.

Un passo in avanti

In una successiva bozza che riporta sempre la data del 17 Febbraio M. inserisce nella Tab 1 altri elementi passando da quindici a quaranta circa . La bozza è costituita da due distinti tentativi di ordinazione degli elementi , disposti nello stesso foglio . Il primo , in ordine cronologico , è quello nella parte superiore e il secondo successivo in ordine di tempo è collocato nella parte inferiore . Tra il primo e il secondo M. apporta significanti modifiche .

Vi sono aggiunti tre gruppi rispetto alla Tab.1 , quello dei metalli alcalini , dei metalli alcalini terrosi e il gruppo di metalli che abbiamo già incontrato nel primo tentativo che fa M. nella prima bozza Mg , Zn , Cd . Vi sono altri elementi che chiaramente M. ha difficoltà a inserire e che dispone ai margini . La cosa interessante è il cambiamento che interviene passando dalla disposizione in alto a quella successiva in basso :

 Il corpo centrale della T.P. prende forma , manca il terzo gruppo , la posizione del Berillio e Idrogeno sono incerte .

Un lavoro incessante

Il lavoro di M. prosegue senza pausa . Il documento che più di tutti esprime lo sforzo intellettuale di M. è il seguente , successivo nel tempo a quello della Fig 2 .

La bozza ( Fig.3 ) è un vero e proprio laboratorio sperimentale dove gli elementi vengono collocati singoli o in gruppi, spostati , cancellati , sostituiti. La vera novità rispetto alla bozza di Fig 2 sta nell’avere ampliato la tavola riuscendovi a collocare i metalli di transizione che avevano rappresentato il suo più grosso ostacolo sia per l’incertezza di alcuni pesi atomici , sia per la minore conoscenza delle loro proprietà.  . Trova una collocazione al Be , attribuendogli il corretto peso atomico , superando le difficoltà precedenti. Individua per la prima volta il terzo gruppo con B – Al . Inserisce nel sistema 61 elementi , quasi la totalità di quelli conosciuti . Alla sommità dello schema ci sono le terre rare a cui sono attribuiti pesi atomici non corretti , e il cui inserimenti nella T.P. costituirà sempre un problema per M. All’Uranio è attribuito la metà del suo peso atomico . Alla fine si delinea un sistema con i pesi atomici che crescono di poche unità dal basso verso l’alto e una disposizione degli elementi simili per gruppi , collocati nella stessa riga orizzontale , mentre sono incolonnati in periodi gli elementi i cui pesi atomici variano gradualmente . Il risultato complessivo alla fine è rappresentato da un sistema sufficientemente compatto e coerente .

Gli spazi vuoti

L’ aspetto “rivoluzionario “ di questo lavoro è la presenza di diversi spazi vuoti tra alcuni elementi appartenenti a gruppi diversi . Tra questi ultimi elementi esiste una differenza tra i loro pesi atomici troppo alta, non di poche unità ( ricordiamo che questo è il criterio fondamentale che impiega M. ) . La possibile esistenza di elementi ancora da scoprire che riempiano queste vacanze è una ipotesi ancora prematura . M. ha cercato di costruire uno strumento didattico, gli spazi vuoti hanno il significato che lo schema non è definitivo sia perché diversi pesi atomici sono provvisori , non corretti o non conosciuti , sia perché i vuoti potrebbero essere ridotti con una migliore distribuzione degli elementi.    Rappresentano perciò la spia che il sistema deve essere ancora migliorato .   E’ sorprendente come queste lacune che nascono come difetti del sistema , diventeranno poi la caratteristica che legittimerà agli occhi del mondo il sistema stesso . In nessuna sistemazione degli elementi fatta in quello stesso periodo , quella di John Newlands (1865 ) , di Lothar Meyer (1869 ) e di De Shancourt era prevista la presenza di vuoti nei loro schemi . Il criterio che adotta M. ha una peculiarità unica , mostra i punti dove è da correggere . Nonostante le correzioni , i miglioramenti che M. apporterà al suo primo schema , le lacune continueranno a esistere . M. comincerà a pensare alla possibilità che siano espressione di elementi mancanti , non scoperti .

Ma alla compilazione della sua prima T.P. questo pensiero non si è ancora maturato .

La tavola si ribalta

Alla fine di una lunga giornata di intenso lavoro , dopo un breve riposo , Mendeleev porta una modifica , l’ultima , allo schema visto precedentemente . Immaginiamo di ruotare lo schema di Fig.3 di 180 ° attorno al suo asse X . Otteniamo lo schema di Fig 4 dove il peso atomico degli elementi cresce dall’alto verso il basso ( come nella odierna T.P. ) . La prima versione rifletteva il criterio adottato da M. , infatti egli faceva la differenza tra le dimensioni dei pesi atomici . Nella differenza tra due numeri il più grande si posiziona in alto , da qui la prima sistemazione degli elementi.

E’ in questa ultima forma che M. sistema gli elementi nella sua ultima bozza (Fig 5) , che farà stampare subito dopo .

Vi apporta delle modifiche . Riempie lo spazio vuoto tra Fe e Cu con Ni e Co ai quali tuttavia assegna lo stesso peso atomico ( la posizione di entrambi sarà risolta con la conoscenza della struttura atomica ) . Si mostra nuovamente incerto nel collocare il Mg . Inserirà di nuovo il gruppo Be , Mg , Zn , Cd ( era il gruppo che aveva confrontato all’inizio con i metalli alcalini ) , separando il Mg dal secondo gruppo (Ca, Sr,Ba )

Una tavola periodica familiare

Forse osservando questa ultima bozza , abbiamo l’impressione che sia molto diversa dalla versione che oggi ci è familiare . I gruppi degli elementi sono disposti in righe , mentre i periodi in colonne . Ma se separiamo la bozza in tre parti ( Fig 6) e poi le ricollochiamo in un ordine diverso ( separando gli elementi delle terre rare ) ma rispettando la progressione dei pesi atomici , otteniamo una forma che ci è familiare (figura a destra ). In termini moderni nella prima T.V. di M. troviamo distinti gli elementi divisi nei tre blocchi s , p , d , rispetto al riempimento degli orbitali , come nella versione odierna della T.V.

Nasce così verso la sera del 17 febbraio 1869 , dopo una lunga giornata di intenso e stressante impegno intellettuale, in cui si alternano momenti di esaltazione a periodi di depressione , la prima sistemazione degli elementi di Mendeleev. Fa stampare la bozza , 150 copie in russo e 50 in francese che invia a vari chimici .

Lo chiama “Tentativo “ . M. è ben consapevole del carattere ancora provvisorio del suo lavoro e delle posizioni incerte di diversi elementi . Ma le basi sono gettate. In questo momento la consapevolezza di una legge periodica che sottostà al suo schema non è ancora maturata . Infatti è improbabile che Mendeleev avesse compreso la generalità del suo sistema, quando lo sviluppò nel febbraio 1869 . Se fosse stato consapevole delle implicazioni del sistema periodico, egli molto probabilmente non avrebbe relegato al suo amico Nokolay Menshutkin la presentazione iniziale di esso alla Società Chimica Russa nel marzo 1869 mentre era a ispezionare le cooperative per conto della Società Economica di San Pietroburgo . Così come era ancora lontano dalla possibilità di prevedere nuovi elementi che occupassero gli spazi vuoti . Scriverà il primo articolo scientifico sulla sua prima T.P. nell’Aprile 1869 , due mesi dopo che ha fatto stampare la prima bozza . Fa alla fine dell’articolo una lista di otto vantaggi che il suo sistema avrebbe nei confronti delle altre classificazioni concorrenti in quel periodo . Al sesto punto vi compare il primo accenno sulla possibilità di prevedere nuovi elementi . E’ una predizione debole , la colloca solo al sesto punto ed è molto vaga . Prevale , dalle sue note , la scelta di cercare di riempire gli spazi vuoti con elementi già esistenti in base alle proprietà chimiche , e vedere se per esempio i loro pesi atomici fossero stati erroneamente misurati . Solo nell’agosto 1869 in un articolo sul volume atomico abbandonerà questo approccio e alcune delle precedenti vaghezze . Apporterà nei due anni successivi diverse modifiche alla sua prima bozza , fornendo varie versioni ( ma questa è un’altra storia ) .

Una ricostruzione della T.P. a posteriori

Quando immaginiamo di costruire la Tavola Periodica mettendo gli elementi secondo l’ordine dei loro pesi atomici crescenti e osservando che a certi intervalli si ripresentano elementi con proprietà simili , stiamo facendo una ricostruzione a posteriori che è efficace nella pratica didattica , ma che non è corretta come ricostruzione storica .

Le proprietà periodiche e la legge della periodicità sono emerse in seguito , diverso tempo dopo la compilazione della prima T.P. Quest’ultima già contiene i caratteri di periodicità , ma il riconoscimento di una legge di natura è stato più complesso della presenza di una certa regolarità nel sistema . In realtà , come si è visto , Mendeleev non usa il peso atomico quanto piuttosto la differenza tra i pesi atomici come criterio per creare un sistema di elementi .

La sua prima T.P. mostra come i gruppi di elementi siano stati sovrapposti , come gli elementi di una pila di Volta , secondo il criterio della minima differenza tra i pesi atomici di elementi adiacenti di gruppi diversi . E là dove i gruppi di elementi non erano ben caratterizzati e differenziati , come tra i metalli della serie di transizione , è riuscito a trovare, dopo un lavoro tormentato fatto di prove ed errori come abbiamo visto , una loro definizione e collocazione seguendo il criterio principale da lui adottato . La periodicità non viene scoperta e quindi subito riconosciuta , quanto piuttosto emerge come una conseguenza del criterio che lui adotta nel suo sistema . Ne è un conseguenza , da qui il tempo più lungo per riconoscerne la sua importanza .

Un paradosso

La tavola periodica e la enunciazione della legge della periodicità che sarà il traguardo finale di M. hanno costituito lo strumento più potente in mano ai chimici e fisici per arrivare a comprendere la struttura dell’atomo . Ed è paradossale, ma nella storia della scienza altri esempi non mancano , che proprio M. che ha costruito questo strumento , abbia nutrito nei confronti della teoria atomica una buona dose di diffidenza e che di fronte alla possibilità , in seguito , che l’atomo avesse una struttura subatomica opponesse il suo scetticismo .

Immagini del Museo

Nel mio blog è contenuto un articolo sull’appartamento – museo di Mendeleev all’Università di San Pietroburgo .

Sono raccolte le immagini delle stanze dell’appartamento , delle foto e dei quadri appesi alle pareti   , di vari documenti raccolti nelle bacheche . Le didascalie sono state tradotte dal russo .

http://www.robertopoetichimica.it/universita-san-pietroburgo-la-casa-museo-dimitrij-ivanovic-mendeleev/

Bibliografia

Michael D.Gordon “ A well – ordered thing “

B.M. Kedrof “ On the question of the psychology of scientific creativity ”

Masanori Kaji “ D. I. mendeleev’s concept of Chemical elements and the principles of chemistry “

Eric Scerri “ How exactly did Mendeleev discover his periodic table of 1869? “

Eric Scerry “ The Periodic Table: A Very Short Introduction “

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