Cosa è successo il giorno della più grande scoperta nella chimica

Terra, Acqua, Aria, Fuoco.

Due millenni e mezzo fa, Aristotele aveva risolto così il problema di catalogare tutte le sostanze conosciute: non erano che combinazioni, in diverse proporzioni, di questi quattro elementi fondamentali. Finita lì, semplice, no?

Questa teoria sopravvive felicemente fino al XV secolo, quando Paracelso le oppone la teoria dei tria prima. Secondo il padre degli alchimisti, gli elementi fondamentali da cui derivano tutti gli altri sono solo tre. Non li indovinerete mai: sono Sale, Zolfo e Mercurio. Mah…

Dobbiamo aspettare fino al 1661, quando Robert Boyle — nel suo libro “Il chimico scettico” — dimostra l’inconsistenza sperimentale delle teorie precedenti e ipotizza che le sostanze sono formate da particelle che differiscono fra loro per dimensioni, forma, disposizione e movimento.

Passano altri due secoli di tumultuose sfide fra scienziati – che si attaccano a colpi di teorie e si difendono a colpi di esperimenti. Nel 1864 arriviamo a Lothar Meyer, che riesce a ordinare 44 dei 57 elementi allora noti in ordine di valenza. Passa solo un anno e nel 1865 John Newlands propone di catalogarli in ordine di peso atomico crescente, notando una curiosa periodicità: sembra proprio che le proprietà chimico-fisiche degli elementi conosciuti si ripetano più o meno a gruppi di otto, proprio come le ottave musicali. Mistero…

Purtroppo, però, le proposte di Meyer e Newlands non consentono né la corretta catalogazione in base alle proprietà degli atomi noti, né la previsione di nuovi elementi ancora non scoperti.

Un inverno gelido a San Pietroburgo

Ed ora facciamo un altro passo in avanti di soli cinque anni ed arriviamo ad una gelida mattina di mercoledì 17 febbraio 1869. Una data destinata a rimanere nella Storia della Chimica… anche se scommetto che non dice nulla alla maggior parte di noi. Ecco la scena: ci troviamo in un sobrio e un po’ disordinato appartamento nei pressi dell’Università di San Pietroburgo. Libri e appunti distribuiti ovunque, persino sul letto e accanto alla catinella di coccio che fa da modesta antenata del moderno lavabo, ci fanno subito capire che siamo nella tana di un intellettuale del tempo.

Quella mattina, il professor Dmitrij Ivanovic Mendeleev non deve fare lezioni ma ha in programma di visitare dei caseifici per studiare come migliorare i processi di fermentazione che portano il latte a trasformarsi in formaggio. Ma con la bufera che soffia fuori dalle finestre… diciamo che non muore dalla voglia di andare in giro per la campagna ghiacciata.

Per trovare un buon motivo per restare al calduccio, ritira fuori un suo vecchio progetto: cercare una sistemazione degli elementi noti in base al loro peso atomico ed alla loro valenza. Già a colazione scarabocchia alcune combinazioni di elementi sul retro di una lettera appena ricevuta. Lo sappiamo per certo perché questo foglio — come tutti gli altri fogli usati quel giorno — è conservato nel suo studio all’Università di San Pietroburgo e mostra ancora oggi una patacca circolare lasciata dal bicchiere del tè.

Il solitario che non torna

Il nostro insiste con numerosi tentativi e – trovata una perfetta scusa per lasciar perdere le visite ai caseifici – aggiunge legna nella stufa decidendo di concentrarsi sul suo sistematico lavoro.

Scrive su una marea di fogli provando a estrarre una logica comune moltiplicando o dividendo i pesi atomici per le valenze, cercando di individuare dei multipli comuni che spieghino le differenze nei pesi atomici e, insomma, prova un sacco di combinazioni.

Essendo appassionato di solitari di carte, gli viene poi l’idea di scrivere su un foglio nome, peso atomico e valenza di un elemento, scrivere su un altro foglio le proprietà di un altro e andare avanti così finché non ottiene 63 tessere, ciascuna con uno dei 63 elementi allora noti.

Poi prova a distribuirli sul tavolo in modo logico, proprio come si fa con i più comuni solitari di carte.

Si alternano tutte le combinazioni e passano le ore; senza risultati… Al tramonto il professore è sfinito: decide di andare a fare un pisolino.

Dopo aver passato tutta la giornata a tentare di capire la logica che si nasconde dietro le proprietà degli elementi, appena addormentato cosa sogna? Ma naturalmente tutte le sue tessere. Racconterà proprio all’amico Aleksandr Aleksandrovich Inostrantsev di questo sogno – ma è meglio se lo chiamiamo incubo – in cui le tessere gli vorticano in testa.

Poi all’improvviso si sveglia, e corre al tavolo dove aveva lasciato sparpagliate le tessere degli elementi. Ancora qualche febbrile giro di carte e questa volta il “solitario” gli riesce al primo colpo: la sera del 17 febbraio 1869 è nata la Tavola Periodica.

Lungo le righe ci sono i “gruppi” che contengono elementi con proprietà chimiche simili, lungo le colonne i “periodi”, che mettono in fila gli elementi ordinati per peso atomico crescente.

La magia della Tavola Periodica

Il sistema che Mendeleev ha appena costruito non è perfetto, ma è rivoluzionario per il suo tempo. Lo scienziato russo ha l’intuizione di inserire degli spazi vuoti all’interno della tabella dove in futuro saranno piazzati gli elementi che ancora non erano stati scoperti. Riesce, così, a dare alla sua tavola un vero e proprio potere di previsione delle scoperte future.

E, sorprendentemente, non solo prevede che quegli elementi esistano, ma riesce anche a descrivere le loro caratteristiche, tra cui il peso atomico e alcune proprietà chimiche.

Ad esempio, Mendeleev intuisce l’esistenza di un “eka-Boro“, un elemento che sarebbe stato successivamente scoperto come Scandio, e un “eka-Alluminio“, che sarà poi stato identificato come Gallio. 

Ma che vuol dire “eka”? Semplicemente, in sanscrito significa “uno”. Un po’ come aggiungere “…revisione bis” in fondo al nome del file dell’ennesima versione di un documento che sta faticosamente raggiungendo la perfezione. Ma torniamo a noi. Quando questi elementi saranno effettivamente scoperti, i loro comportamenti corrisponderanno sorprendentemente a quanto Mendeleev aveva previsto.

Nel 1869, si conoscono solo 63 elementi. Oggi siamo arrivati a 118. C’è chi dice che li abbiamo scoperti già tutti e c’è chi sostiene che ce ne siano tanti altri ancora da sintetizzare, ma questa è un’altra storia.

Concentrandosi sui buchi nella sua tabella, Mendeleev è in grado di prevedere il peso atomico approssimativo e le proprietà di questi elementi non noti. E quando questi saranno poi scoperti o prodotti artificialmente e si misureranno le loro proprietà, si scoprirà che ci aveva azzeccato, o almeno ci era andato molto vicino.

Ad esempio, lo spazio vuoto dopo l’Alluminio 13 – che Mendeleev ha battezzato eka-Alluminio di possibile peso atomico 68 – viene poi occupato dal Gallio 31 (peso atomico 69,7) scoperto da Paul Emile Lecoq nel 1875.

Anche quando furono scoperti i gas nobili, è bastato aggiungere un gruppo in fondo alla tabella e tutto si è incastrato di nuovo correttamente.

Ma la Tavola Periodica non finisce certo qui

Ma non è certo finito tutto in quella gelida sera: nel 1871, Mendeleev introdurrà le previsioni per altri tre elementi: “eka-Silicio“, che sarebbe diventato il Germanio, “eka-Manganese“, che sarebbe stato il Tecnezio, e “eka-Niobio“, che corrisponderà al tanto atteso elemento di transizione chiamato Tantalio. Queste previsioni non solo dimostrano la validità del sistema di Mendeleev, ma confermano anche che la scienza chimica è sulla strada giusta.

Tuttavia, non tutti gli elementi si adattano perfettamente alla sua tavola. Alcuni, come i metalli delle terre rare, non si allineano con la legge della periodicità. Mendeleev ipotizza che questi elementi abbiano valori “errati” di peso atomico e, di conseguenza, li riorganizza nel suo sistema. La sua intuizione si rivelerà corretta, con molti di questi elementi che saranno successivamente identificati e definiti nei loro corretti pesi atomici. Inoltre, la sua capacità di correggere i dati esistenti e di adattare la Tavola alle nuove scoperte rimarrà per sempre un segno del suo approccio scientifico flessibile e pragmatico.

In quella gelida giornata che non invoglia ad andare in giro per caseifici, chiuso nella sua stanza Dmitrij Ivanovic Mendeleev inventa uno strumento teorico efficacissimo che non solo ribalta le conoscenze del momento e cataloga gli elementi fino allora conosciuti, ma consente soprattutto di fare delle previsioni. Per questo lo storico della scienza John D. Bernal lo definirà “il Copernico della chimica”.