Evoluzione del sistema periodico

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-L’EVOLUZIONE DEL SISTEMA PERIODICO-

Il sistema periodico degli elementi è uno degli oggetti più emblematici di tutta la scienza: un singolo documento che racchiude in sé buona parte delle conoscenze di chimica.
La storia di questo sistema di classificazione comincia oltre 200 anni fa.
In tutto questo lungo arco di tempo il sistema periodico è stato discusso, modificato e migliorato via via che la scienza progrediva e si scoprivano nuovi elementi.
Nonostante i cambiamenti radicali che la scienza ha subito nell’ultimo secolo, in particolare lo sviluppo della teoria della relatività e della meccanica quantistica, non c’è stata alcuna rivoluzione nella natura fondamentale del sistema periodico.
In qualche caso, inizialmente parve che le nuove scoperte mettessero in dubbio le sue basi teoriche, ma ogni volta si riuscì a incorporare i risultati ottenuti senza compromettere le basi strutturali del sistema.
E’ quindi notevole che il sistema periodico sia importante tanto per le sue radici storiche che per la sua continua attualità.
Il termine periodico riflette il fatto che gli elementi mostrano andamenti regolari nelle loro proprietà chimiche a intervalli pure regolari.
La scoperta del sistema periodico di classificazione degli elementi rappresenta il culmine di una lunga serie di sviluppi scientifici, e non l’improvvisa ispirazione di un singolo scienziato.
Tuttavia gli storici di solito assegnano come data di nascita del sistema periodico moderno il 17.02.1869, quando un professore russo di chimica, DIMITRIJ IVANOVIC MENDELEEV, completò la prima delle sue numerose tavole periodiche.
Essa comprendeva 63 elementi noti disposti per peso atomico crescente; Mendeleev lasciò anche spazi vuoti dove avrebbero dovuto essere disposti elementi non ancora scoperti, dei quali era però in grado di prevedere il peso atomico.
Prima di lui, anche altri scienziati avevano cercato un metodo di organizzazione per descrivere gli elementi.
Per esempio Antoine Lavoiser, nel 1787, in collaborazione con Antoine Fourcroy, Louis Bernard Guyton de Morveau e Claude Louis Berthollet, stilò un elenco dei 33 elementi noti all’epoca.
Però si trattava solo di rappresentazione uni- dimensionali.
Invece la potenza del sistema periodico moderno consiste nella sua rappresentazione bi oppure tridimensionale di tutti gli elementi conosciuti in un sistema logico di righe e colonne esattamente ordinate.
Il chimico tedesco JOHANN DOBEREINER cercò di fare un primo passo verso l’organizzazione degli elementi in maniera significativa.
Nel 1817 fece notare che molti degli elementi noti potevano essere disposti, in base alle loro somiglianze, in gruppi di tre, che egli chiamò triadi.
Egli individuò la triade di litio, sodio e potassio; e quella cloro, bromo, iodio.
Se i membri di una triade venivano ordinati per il loro peso atomico, le proprietà dell’elemento centrale erano intermedie fra quelle del primo e quelle del terzo.
Il suo lavoro incoraggiò altri chimici a cercare correlazioni fra le proprietà chimiche degli elementi e il loro peso atomico.
Nel corso dell’Ottocento il concetto di triade venne ulteriormente sviluppato da Peter Kremers, il quale sosteneva che certi elementi potessero appartenere a due triadi, disposte perpendicolarmente l’una all’altra.
Nel 1857 il chimico francese Jean Baptiste Andrè Dumas respinse l’idea delle triadi e si concentrò invece sulla determinazione di una serie di equazioni matematiche che potessero giustificare l’aumento di peso atomico in diversi gruppi di elementi chimicamente affini.
Ma, com’è oggi noto, qualunque tentativo di stabilire uno schema organizzatore che si basasse sul peso atomico di un elemento non poteva riuscire, perché il peso atomico non è la proprietà fondamentale che caratterizza gli elementi.

PROPRIETà PERIODICHE
La caratteristica fondamentale del sistema è la periodicità o ripetizione delle proprietà degli elementi a certi regolari intervalli.
Tale caratteristica era già stata riscontrata d Alexander- Emile Beguyer de Chancourtois nel 1862 in occasione della classificazione degli elementi in base al loro peso atomico. Tale sistema venne rappresentato con una configurazione geometrica piuttosto complessa: egli dispose gli elementi, in base al loro peso atomico crescente, lungo una spirale tracciata sulla superficie di un cilindro e inclinata di 45 gradi rispetto alla base.
Il primo avvolgimento completo della spirale coincideva con l’Ossigeno, il secondo con lo Zolfo; gli elementi che risultassero verticalmente allineati tendevano ad avere proprietà simili, e questo metodo incluse degli elementi fondamentali nel sistema mendelliano.
Ma il sistema di de Chancourtois non risultò convincente ai contemporanei scienziati, per diversi motivi:
1.non aveva provvisto al suo articolo originale un diagramma illustrativo;
2.il sistema risultò assai complicato e le proprietà chimiche non furono presentate in maniera convincente.
Fra il 1860 e il 1870 molti scienziati proposero altre versioni della tavola periodica:
nel 1864 il chimico inglese John Newlands dimostrò che disponendo gli elementi in ordine di peso atomico, notò che ogni elemento aveva proprietà simili a elementi posizionati sia 8 posti avanti che 8 posti indietro, questa caratteristica fu nominata come “legge degli ottavi”.
Nella tavola originale di Newlands furono lasciati degli spazi bianchi che poi vennero colmati con la tabella del 1866, suscitando polemiche da parte di altri chimici, che sostenevano che in tale modo mancasse lo spazio per eventuali nuovi elementi scoperti.
La teoria di Newlands venne perfino messa in ridicolo da diversi scienziati, un esempio eclatante risale al convegno della Chemical Society, avvenuto a Londra nel 1866, quando George Carey Foster chiese a Newlands se avesse mai pensato di disporre gli elementi in ordine alfabetico e di ricavare tutte le possibili occasionali coincidenze che questo tipo di classificazione, ma come ogni tipo, avesse potuto originare.
Dopo il convegno la Society si rifiutò di pubblicare il suo lavoro.
Nonostante le critiche ricevute, la tabella di Newlands fu la prima a usare una sequenza di numeri ordinali, in questo caso basata sul peso atomico, per classificare gli elementi.
Anticipò perfino la moderna organizzazione del sistema periodico basata sulla sequenza dei numeri atomici.

IL SISTEMA PERIODICO MODERNO

Nel 1868 Julius Lothar Meyer dell’Università di Blesau (Germania) realizzò una tavola periodica molto simile a quella di Mendeleev, ma non riuscì a classificare correttamente tutti gli elementi. Per problemi tecnici, dato che il suo editore non riuscì a pubblicare la tavola prima del 1870, aumentò la rivalità fra Mendeleev e Meyer.
Contemporaneamente Mendeleev preparò una versione della tavola nelle medesime condizioni di scrivere un libro di chimica.
Egli aveva così fiducia nella sua tavola che previde la necessità di lasciare dello spazio per nuovi elementi.
Mendeleev corresse i pesi atomici di diversi elementi noti; ammesse inoltre di avere consultato tavole periodiche mentre lavorava per la sua, ma negò di saper del lavoro parallelo di Meyer.
Il merito fondamentale del lavoro di Mendeleev fu senz’altro la scoperta della periodicità in chimica, fondamento dal quale analizzò tutte le conseguenze e sostenne la validità.
Diversi episodi misero alla prova la sua periodicità: nel 1894 William Ramsay dello University College di Londra e Lord Rayleigh dello Royal Institution di Londra scoprirono l’argo; negli anni seguenti Ramsay annunciò la scoperta dell’elio, neon, kripto e xeno, quelli che oggi, insieme al radon (scoperto nel 1900 da Friederich Ernst Dorn), costituiscono i gas nobili.
Il termine “nobile” deriva dal fatto che questi gas citati sembrino stare in disparte dagli altri, reagendo raramente con gli altri per creare dei composti.
Di conseguenza alcuni scienziati dubitarono o addirittura negarono la loro appartenenza al sistema periodico.
Non essendo stati considerati né da Mendeleev né da altri scienziati, furono annessi nella tavola periodica solo dopo 6 lunghi anni di studi. Furono posizionati fra gli alogeni (Fluoro, Cloro, Bromo, Iodio, Astato) e i metalli alcalini (Litio, Sodio, Potassio, Rubidio, Cesio e Francio).
Un secondo punto di discussione fu l’ordinamento esatto degli elementi.
Nella sua prima tavola, Mendeleev posizionò gli elementi un base al peso atomico, ma nel 1913 il fisico olandese dilettante Anton van den Broek propose che il principio ordinatore del sistema fosse invece la carica nucleare di ciascun elemento.
Il fisico Henry Moseley provò sempre nel 1913 tale ipotesi il procedimento sotto descritto:
egli ricavò lo spettro nei raggi X di 12 elementi, 10 dei quali erano consecutivi nella tavola periodica, e scoprì che le frequenze delle cosiddette linee K nello spettro di ciascun elemento erano direttamente proporzionali al quadrato dell’intero che rappresentava la posizione di ogni elemento successivo nella tavola periodica.
Moseley stesso disse che ciò era la prova che : “nell’atomo esiste una quantità fondamentale, che aumenta regolarmente nel passare da un elemento all’altro.”
Questa “quantità fondamentale” venne definita nel 1920 come NUMERO ATOMICO da Ernest Rutherford, allora all’Università di Cambridge, e definisce il numero di protoni nel nucleo. Dopo tale scoperta il numero atomico venne scelto come principio ordinatore fondamentale del sistema periodico sostituendo il peso atomico.
Ciò risolse dei problemi che erano ancora irrisolti, per esempio ordinando iodio e tellurio per peso atomico (cioè anteponendo lo iodio) i due elementi finivano in posizioni che non rispecchiavano il loro comportamento chimico, ma disponendoli in base al numero atomico essi assumevano le corrette posizioni.

COMPRENDERE L’ATOMO.

Il sistema periodico fu utile anche per molti fisici che voleva comprendere la struttura dell’atomo.
Nel 1904, Joseph John Thompson, che nel 1897 era stato protagonista della scoperta dell’elettrone, elaborò un modello di atomo che dipendeva tantissimo dalla periodicità degli elementi.
Propose che gli atomi di un particolare elemento contenessero uno specifico numero di elettroni disposti in anelli concentrici.
Suppose perfino che gli anelli dotati di configurazioni elettroniche simili avrebbero avuto analoghe proprietà, delineando per la prima volta una spiegazione fisica della periodicità degli elementi.
Sebbene Thomposon avesse previsto che le orbite elettroniche fossero all’interno del corpo dell’atomo, anziché esternamente come si suppone oggi, egli affrontò un concetto fondamentale per la chimica moderna, ovvero la disposizione degli elettroni nell’atomo.
Il fisico danese Niels Bohr elaborò, nel 1913, un modello atomico in cui gli elettroni popolano una serie di gusci concentrici che circondano il nucleo.
Egli ipotizzò che gli elementi dello stesso gruppo del sistema periodico potessero avere configurazioni elettroniche identiche nel loro guscio più esterno e che le proprietà chimiche di un elemento dipendessero in gran parte dalla disposizione degli elettroni nel guscio atomico esterno degli atomi.
Ciò spiegava il motivo della scarsa reattività dei gas nobili: questi possedevano un guscio elettronico esterno completo, che dava loro stabilità e riluttanza nel creare composti.
In effetti gli altri elementi si unisce per creare composti affinché la loro configurazione elettronica si completi.
Il fisico austriaco Wolfang Pauli, nel 1924, tentò di spiegare la lunghezza di ciascuna riga, o periodo, del sistema.
Dal suo lavoro si ottenne il PRINCIPIO DI PAULI, che sancisce che due elettroni non possono esistere in un identico stato quantico( definito da un insieme di valori che prendono nome di numeri quantici).
Le lunghezze dei diversi periodi del sistema sono dettate da dati, ottenuti sperimentalmente, sull’ordine di riempimento dei gusci e da restrizioni quantomeccaniche sui quattro numeri quantici che gli elettroni possono adottare.
Le innovazioni alla teoria quantistica introdotte da Werner Heisenberg e da Erwin Schrodinger durante gli anni venti contribuirono a portare la quantistica essenziale alla sua attuale forma, sebbene abbiano influito pochissimo sulla tavola periodica. Infatti non fu in grado di chiarire meglio il sistema periodico, per esempio non riuscì a determinare la configurazione elettronica degli atomi per due motivi:
1. l’equazione quantistica fondamentale o equazione di Schrodinger si può risolvere solo per u atomo di idrogeno;
2. usando anche le approssimazioni usate in chimica quantistica, nessuno è stato in grado di riprodurre in modo corretto l’ordine di riempimento dei livelli atomici.

VARIAZIONI SUL TEMA

I età più recenti diversi chimici hanno proposto diverse rappresentazioni grafiche della tavola: per esempio il chimico Fernando Dufuor ha escogitato una tavola periodica tridimensionale che rileva la simmetria della legge periodica, non apprezzabile nella comune rappresentazione bidimensionale.
Tale caratteristica viene rilevata anche nella tavola piramidale perfezionata di recente da William Jensen.
Nel 1960 Ray Hefferlin progettò un sistema periodico includente tutte le molecole biatomiche che si possono formare dai primi 118 elementi, rilevando con il suo schema che certe proprietà molecolari si ripetono.

Sebbene siano state numerose le variazioni, la tavola periodica degli elementi rimane quella con un’influenza maggiore e più duratura.
Nel corso dei suoi 200 anni di evoluzione non ha subito alcun mutamento dalla fisica, a differenza di altre teorie e la su importanza è paragonabile a quella della teoria dell’evoluzione di Darwin.