Il padre della tavola periodica

La voglia di scoprire modelli nel nostro ambiente sembra essere un tratto umano fondamentale. Migliaia di anni fa, i nostri antenati remoti costruirono enormi monumenti di pietra che erano allineati con precisione a punti significativi del ciclo solare annuale. E nel 19 ° secolo, i chimici riflessivi notarono somiglianze familiari tra gli elementi e cercarono di incorporarli in un paradigma esplicativo.,

Un secolo e mezzo fa, Dmitri Mendeleev fece un passo cruciale in questa ricerca dell’ordine tra gli elementi, pubblicando la prima bozza della sua tavola periodica. Nel 2019 la comunità mondiale dei chimici celebra questo anniversario, e giustamente. Come Stonehenge, il tavolo riflette regolarità nella natura che erano dovute a cause rimaste misteriose quando è stato originariamente costruito. Ma come ha fatto Mendeleev a costruire il suo monumento?,

Primi anni

Dmitri cresciuta in Siberia, sul bordo esterno della civiltà occidentale. La sua casa, Tobolsk, è 1000km più vicino a Pechino che a Parigi, e il suo percorso da lì all’eminenza scientifica è stato difficile., Era il più giovane di più di una dozzina di fratelli Mendeleev, e subito dopo la sua nascita nel 1834 la cattiva salute costrinse suo padre Ivan, un insegnante di scuola superiore, in pensione. L’inadeguatezza della pensione di Ivan spinse sua moglie Maria ad assumere la gestione di una vetreria semi-abbandonata, precedentemente gestita da suo fratello.

Questa impresa sostenne la famiglia fino al 1848, quando bruciò. Poi Ivan morì e nel 1849 Maria portò i suoi due figli più piccoli a Mosca, sperando che suo fratello aiutasse Dmitri ad entrare nell’università., Quando questo piano fallì, si trasferirono a San Pietroburgo e nel 1850 Dmitri fu accettato (un po ‘ a malincuore) dal collegio dove suo padre si era formato come insegnante. Un docente lì – Alexander Voskresensky, che aveva studiato in Germania sotto Justus Liebig – ha incoraggiato l’interesse di Dmitri per la chimica.

Si laureò nel 1855 e la sua tesi – sull’isomorfismo e altre relazioni tra forma fisica e composizione chimica – fu pubblicata in una rivista mineraria. Seguirono altri articoli per periodici scientifici e tecnici, ma gli mancava un reddito sicuro., A quel punto sia sua madre che sua sorella erano morte, e lui stesso soffriva di quella che sembrava essere la tubercolosi. Tuttavia, un anno di insegnamento nel clima più benigno della Crimea ha migliorato significativamente la sua salute, e un nuovo medico ha respinto con sicurezza la diagnosi precedente.

Nell’autunno del 1856 Mendeleev difese con successo una tesi di master sulle relazioni tra i volumi specifici di sostanze e le loro proprietà cristallografiche e chimiche. Poco dopo l’Università di San Pietroburgo lo ha concesso in licenza come insegnante di chimica, permettendogli l’accesso al suo laboratorio., Nel 1859 ricevette finanziamenti statali per due anni di studi avanzati all’estero.

Stabilire una carriera

Presso l’Università di Heidelberg in Gemania, Mendeleev ha fatto ricerche su diversi argomenti, tra cui la tensione superficiale, la capillarità e l’evaporazione, e ha mantenuto un interesse per le forze intermolecolari per tutta la sua carriera. Nel 1860 partecipò alla conferenza di Karlsruhe, dove il chimico italiano Stanislau Cannizzaro consegnò un documento innovativo sui pesi atomici (ora chiamati masse atomiche relative)., Questo fu un passo cruciale verso il sistema periodico, poiché in precedenza c’era stata una notevole disputa sull’assegnazione dei pesi atomici agli elementi.

Alcuni chimici sostenevano che questi pesi fossero irrilevanti o negavano del tutto l’esistenza fisica degli atomi. Altri preferivano un sistema basato su un peso atomico di otto per l’ossigeno, supponendo che la formula dell’acqua fosse HO, piuttosto che H2O. Ma a Karlsruhe Cannizzarro rianimò le idee del suo connazionale Amadeo Avogadro per sostenere la formula dell’acqua H2O e un peso atomico di 16 per l’ossigeno., Nel corso del 1860 parere spostato a suo favore-fortunatamente per Mendeleev, come le regolarità che lo ha puntato verso la tavola periodica sarebbero stati meno visibili sul vecchio sistema.

Dopo il ritorno a San Pietroburgo nel 1861 Mendeleev ha ripreso l’insegnamento presso l’università, mentre anche lezioni presso l’Istituto Tecnologico della città. Inoltre, ha pubblicato un libro di testo di chimica organica e diversi articoli per un’enciclopedia tecnica, oltre a viaggiare ampiamente alla ricerca di opportunità per applicare le scoperte scientifiche allo sviluppo economico della Russia., Una visita ai giacimenti petroliferi di Baku nel 1863 ha iniziato il suo impegno a lungo termine per l’industria petrolchimica emergente, per esempio.

La tesi di dottorato di Mendeleev (sulla teoria delle soluzioni) fu accettata nel 1865 e nel 1867 l’università lo nominò professore di chimica generale. Gli fu richiesto di tenere una conferenza sulla chimica inorganica, e poiché non esisteva un libro di testo russo soddisfacente, iniziò a scriverne uno. Questo concentrò la sua mente sulla sfida di organizzare gli elementi chimici in un modello ordinato., Molti altri – tra cui Leopold Gmelin in Germania, Jean Baptiste Dumas in Francia e John Newlands in Inghilterra-avevano tentato questo, con scarso successo. Mendeleev era a conoscenza di alcuni di questi sforzi, ma il suo approccio era distintivo per aspetti importanti.

Mettere le sue carte sul tavolo

La svolta arrivò all’inizio del 1869, mentre Mendeleev si stava preparando per un altro tour industriale – questa volta per indagare e migliorare le tecniche di produzione del formaggio. Nel frattempo, dopo aver completato il primo volume del suo libro di testo, stava lottando per stabilire un quadro per il secondo.,tomic pesi e caratteristiche, analoghe elementi, e come pesi atomici su schede separate, e questo al più presto, mi ha convinto che le proprietà degli elementi sono in periodici dipendenza su di loro pesi atomici…’
D Mendeleev, Principi di Chimica, 1905 (enfasi aggiunta)

Mendeleev disposte le carte in righe e colonne, come se in un gioco di solitario o la pazienza – un passatempo preferito di suo durante i viaggi ferroviari., Le colonne verticali elencavano gli elementi noti in ordine crescente di peso atomico, con una nuova colonna che veniva avviata ogni volta che questo gli permetteva di adattare elementi con caratteristiche simili nella stessa riga orizzontale.

Come altri chimici avevano notato, alcuni gruppi di elementi – in particolare i metalli alcalini e gli alogeni – chiaramente appartenevano insieme. Ma molti altri-specialmente gli elementi delle terre rare (lantanidi) – presentavano problemi comunque fossero disposti. A questo punto Mendeleev, a differenza della maggior parte dei suoi predecessori, rifiutò di rinunciare alla lotta.,

Se la posizione di un elemento nella sua tabella sembrava anomala, era disposto a regolare il suo peso atomico per dargli compagni più compatibili. Ad esempio, ha proposto che la formula per l’ossido di berillio fosse BeO, piuttosto che il Be2O3 accettato. Questo abbassò il peso atomico del berillio, permettendogli di localizzarlo con il magnesio piuttosto che con l’alluminio.

Il 6 marzo 1869 il primo abbozzo della sua tavola fu presentato alla Russian Chemical Society (organizzazione che aveva contribuito a fondare qualche mese prima)., Più tardi quell’anno il giornale della società pubblicò una versione più ponderata, un breve riassunto del quale apparve in traduzione tedesca. Ha attirato poca attenzione al di fuori della Russia, ma Mendeleev perseverato, continuando a stendere più carte sul suo tavolo.

Mente le lacune

Il diagramma rivisto Mendeleev pubblicato nel 1871 sembra più familiare agli occhi moderni. Per compilarlo ha fatto ulteriori ipotesi. Ad esempio, abbassò il peso atomico del tellurio, rendendo il suo vicino iodio il più pesante dei due., Questo gli ha permesso di posizionare lo iodio con gli alogeni e il tellurio con zolfo e selenio. Tali aggiustamenti erano probabilmente all’interno della gamma di errori sperimentali in quel momento. Ma Mendeleev non avrebbe potuto prevedere che il numero atomico piuttosto che il peso atomico sarebbe poi diventato il principio di ordinamento della tabella, o che l’identificazione degli isotopi mediante spettrometria di massa avrebbe infine spiegato queste e altre anomalie.,

Con pari audacity, Mendeleev rafforzata la coerenza della sua tavola, lasciando un vuoto che ancora sconosciuta elementi per completare il modello ha previsto. Oltre a prevedere il loro carattere chimico, ha anche assegnato loro valori nozionali per le proprietà fisiche come il peso specifico e il punto di fusione.,

Il primo – gallio – fu identificato spettroscopicamente da un chimico francese, Paul Lecoq de Boisbaudran nel 1875. Quando ne divenne disponibile abbastanza per i test, tutte le proprietà del gallio corrispondevano alle previsioni di Mendeleev, tranne il suo peso specifico, che sembrava essere 4.7. Tuttavia, dopo che Mendeleev ha raccomandato nuove misurazioni, è risultato essere 5.9-praticamente identico alla sua cifra prevista.,

La scoperta dello scandio nel 1879 e del germanio nel 1885 – entrambi esibendo le proprietà che Mendeleev aveva predetto per loro – persuase più chimici che il suo tavolo, nonostante le sue rimanenti anomalie, era troppo utile per ignorarlo. Nel frattempo, altri ricercatori (in particolare Lothar Meyer in Germania) hanno anche evidenziato variazioni periodiche nelle proprietà fisiche degli elementi. Mendeleev in seguito osservò: “Sebbene abbia avuto i miei dubbi su alcuni punti oscuri, tuttavia non ho mai dubitato dell’universalità di questa legge, perché non poteva essere il risultato del caso.,’

Mentre era corretto circa il principio over-arching della periodicità, Mendeleev non era infallibile come profeta. Ha predetto diversi altri elementi che non sono mai stati trovati. E sostenne fino alla fine della sua vita che l’etere – una componente essenziale ma non rilevabile nelle teorie allora accettate della luce e dell’elettromagnetismo – era davvero un elemento chimico, anche se non era riuscito a isolarlo in laboratorio. Ha suggerito che potrebbe essere il più leggero dei gas nobili, con un peso atomico di 0,17.,

Anni successivi

Nella sua vita privata, Mendeleev era provocatoriamente non convenzionale. Si fece tagliare i capelli e la barba solo una volta all’anno, rifiutando di variare questa usanza anche per un pubblico con lo Zar. Inoltre, i suoi arrangiamenti domestici erano alquanto irregolari. Nel 1862 sposò Feosva Lescheva, essendo stato guidato nella sua direzione da una sorella maggiore ben intenzionata che pensava che fosse ora che si stabilisse. La coppia ebbe due figli, ma dopo un periodo di crescente infelicità reciproca accettarono di separarsi, occupando alternativamente la casa di città di Dmitri e il suo ritiro di campagna.,

Diversi anni dopo Dmitri si innamorò di Anna Popov, una studentessa d’arte di 17 anni. Quando i genitori di Anna la mandarono via per continuare i suoi studi a Roma, Dmitri la seguì e nel 1881 il 47enne propose il matrimonio. Anna accettò, ma anche dopo che Dmitri e Feosva furono divorziati rimase un ulteriore ostacolo. La Chiesa ortodossa russa ha riconosciuto i divorzi civili, ma ha chiesto un intervallo di sette anni prima di un successivo matrimonio., Tuttavia, nel 1882 Dmitri trovò un prete disposto (dietro pagamento di una cospicua tassa) a celebrare prematuramente la cerimonia, e nonostante la loro situazione ambigua – e tecnicamente bigama–, la coppia visse felicemente insieme e allevò quattro figli.

In politica Mendeleev era anche un anticonformista – un liberale schietto che si dimise dalla sua cattedra nel 1890 per dissociarsi dalla dura repressione delle proteste studentesche da parte del governo. Questo gesto fu applaudito dai suoi studenti ma provocò ostilità negli ambienti ufficiali., Tuttavia, Sergius Witte, ministro delle finanze russo dal 1892, apprezzò il valore dei contributi di Mendeleev e nel 1893 lo nominò capo dell’ufficio di pesi e misure del governo. Da questa base ha continuato ad applicare le conoscenze scientifiche per aiutare lo sviluppo economico della Russia.

Nel 1905 la Royal Society di Londra onorò Mendeleev con la sua medaglia Copley, avendo già ricevuto la sua medaglia Davy nel 1882., Nel 1906 è stato nominato per il premio Nobel, ma anche se il pannello di chimica ha sostenuto la sua candidatura il comitato premi ha stabilito che la sua scoperta non era abbastanza recente per qualificarlo per la considerazione. La decisione è stata probabilmente influenzata dal chimico fisico svedese Svante Arrhenius, che si era scontrato con Mendeleev in passato.

Quasi mezzo secolo dopo la sua morte nel 1907, Mendeleev si unì a un club ancora più esclusivo. Nel 1955 i fisici del campus dell’Università della California di Berkeley bombardarono l’elemento 99 (einsteinium) con particelle alfa per produrre tracce dell’elemento 101., Confermato ufficialmente come ‘mendelevium’, questo nuovo elemento ha incorporato il suo nome nell’icona che aveva creato. A quel punto il layout della tabella stava diventando spiegabile in termini di strutture subatomiche e scambi di energia quantistica, a un livello di dettaglio che Mendeleev non avrebbe mai potuto prevedere. Tuttavia, questo non diminuisce in alcun modo la statura del suo successo.

Altri prima di lui avevano suggerito che l’elenco degli elementi noti potesse essere organizzato in un modello significativo. Hanno notato corrispondenze significative, ma non hanno trovato un’immagine definitiva., Mendeleev, tuttavia, era convinto che gli elementi chimici dovevano essere visti come un’entità collettiva. Armato di questa convinzione, ha dato coerenza al suo tavolo rivedendo audacemente le posizioni di alcuni elementi noti e lasciando spazi vuoti per altri ancora da scoprire. Anche se alcune delle sue previsioni erano errate, ha segnato abbastanza colpi per stabilire il suo tavolo come base per la nostra comprensione degli elementi, e per confermare il suo status di uno dei fondatori della chimica moderna.,

Mike Sutton è uno storico della scienza con sede a Newcastle, Regno Unito

Ulteriori letture

W H Brock, The Fontana History of Chemistry, Fontana Press, 1993
M Fontani, M Costa e M V Orna, The Lost Elements: The Periodic Table’s Shadow Side, Oxford University Press, 2015
E R Scerri, The Periodic Table: its Story and its Significance, Oxford University Press, 2006