Crepe nella tavola periodica – 1) Parte prima: e siamo arrivati a 118

Quando Dmitrij Mendeleev e altri crearono la tavola periodica degli elementi negli anni sessanta del XIX secolo, fu il primo grandioso schema a organizzare tutti gli elementi conosciuti a quell’epoca.

Mendeleev lasciò diverse posizioni vuote nella sua tavola, e fece l’audace previsione secondo cui un giorno sarebbero stati scoperti nuovi elementi che avrebbero riempito quelle posizioni. Da allora sono seguite numerose revisioni della tavola, ma fino a oggi tutte avevano lacune.

Dopo che l’International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), l’autorità mondiale della chimica, ha approvato l’ingresso degli elementi 113. 115, 117, e 118 per la prima volta la tavola periodica è completa.

Probabilmente il fantasma di Mendeleev starà festeggiando il trionfo della sua profezia, almeno fino a quando chimici e fisici nucleari non sintetizzeranno nuovi elementi che obbligheranno ad aggiungere nuove righe alla tavola periodica, forse lasciandosi dietro qualche posizione vuota.

Mendeleev non si limitò a prevedere l’esistenza di elementi che dovevano ancora essere osservati, ma riuscì addirittura ad anticiparne correttamente le proprietà chimiche e fisiche di altri atomi, basandosi sulle ricorrenze del numero atomico.

Numero atomico.
Ma cos’è questo numero atomico e perché è così importante?

Diciamo subito che gli atomi non sono tutti uguali. Il numero atomico distingue un atomo da un altro per proprietà fisiche e chimiche.

Sappiamo che gli elettroni che sono considerate le particelle esistenti più piccole, praticamente indivisibili, ruotano a distanze abissali attorno la proprio nucleo. Per esempio se l’atomo dell’idrogeno avesse la grandezza di una mela, il suo elettrone gli girerebbe attorno alla distanza di un chilometro.

Il nucleo, una volta considerato indivisibile, è formato da altre particelle, neutroni e protoni, rispettivamente di carica neutra e di carica positiva. Questo la sapete.
Forse non sapete che queste due particelle hanno più o meno la stessa massa, cioè sono formate da una quantità di materia quasi uguale. In realtà anche i neutroni e protoni sono formari da particelle più piccole chiamate quark, ma di questo parleremo in un’altra parte.

Gli elettroni hanno una massa così piccola che ne servono 1836 per uguagliare la massa di un protone. Anche gli elettroni hanno una carica elettrica, ma essa è diversa da quella del protone: è una carica elettrica negativa.

In un atomo in condizioni normali il numero degli elettroni è sempre uguale a quello dei protoni: a un certo numero di cariche positive corrisponde un ugual numero di cariche negative. L’atomo, dunque, risulta neutro, né positivo né negativo.

Se gli atomi sono così piccoli, se hanno una massa così piccola come fai a dire che non sono tutti uguali? – mi domanda il mio cane che ancora qualche lacuna ce l’ha.

Pur essendo tutti formati dalle stesse piccolissime particelle – gli spiego – gli atomi non sono tutti uguali tra loro: alcuni sono più piccoli, altri più grandi. La piccolezza o la grandezza di un atomo dipende dal numero di protoni del suo nucleo.

L’atomo più piccolo ha il nucleo composto da un solo protone; il più grande conosciuto in natura ai miei tempi universitari possedeva ben 92 protoni.

Come vedi – mi rivolgo al mio fedele amico – gli atomi non sono tutti uguali ed hanno un diverso numero atomico, termine che indica quanti protoni sono presenti nel nucleo: il primo ha numero atomico 1 perché ha un solo protone e l’ultimo ha numero atomico 92 perché ha 92 protoni.

L’atomo più piccolo, quello con un solo protone, è l’idrogeno; il più grande in natura si chiama uranio e ha 92 protoni. L’atomo che possiede 7 protoni è quello dell’azoto, una sostanza presente nell’aria; l’atomo con numero atomico 8, cioè con 8 protoni, è l’ossigeno, il gas che ci permette di respirare.

Quindi – interviene il mio cane – se ho capito bene la tavola periodica degli elementi è lo schema col quale vengono ordinati gli atomi sulla base del loro numero atomico.
Bravo il mio cane.

In realtà bisogna dire le cose come stanno. Mendeleev, essendo un chimico, aveva ordinato gli elementi secondo il loro peso atomico (un po’ complicato da spiegare in due parole, ma intuitivamente si capisce che ha che fare col peso espresso in ordini molto piccoli del grammo). Solo successivamente gli elementi vennero ordinati non in base al peso atomico, ma alla carica nucleare, ossia al numero di protoni presenti nel nucleo, definito da Rutherford “numero atomico”. Il merito va l’inglese Henry Moseley.

Ordinando gli elementi in base al numero atomico si arriva all’attuale tavola periodica degli elementi, che ben si accorda con il modello atomico di Bohr, il quale ipotizza che l’atomo sia costituito da un nucleo centrale circondato da elettroni disposti in “gusci” (o strati) concentrici su orbite prestabilite, caratterizzate da quantità definite di energia.
Gli elementi, quindi, dello stesso gruppo (ossia della stessa colonna verticale nella tavola periodica) hanno proprietà chimiche simili perché hanno nel guscio più esterno lo stesso numero di elettroni.

Ma non è finita qui.
Negli anni trenta del secolo scorso i fisici nucleari iniziarono a sintetizzare nuovi elementi.
La tavola periodica si è successivamente arricchita di nuovi elementi ottenuti artificialmente (con un procedimento proposto dal premio Nobel Enrico Fermi: bombardando i nuclei di elementi pesanti con fasci di neutroni, si originano nuclei radioattivi con un protone in più).
Così, nel 1936, Emilio Segrè ottenne il primo elemento artificiale, il tecnezio (numero atomico 43). Questo elemento occupava una delle quattro posizioni vuote nella tavola nota all’epoca, che andava dall’1 (idrogeno) al 92 (uranio).

Altri pezzi mancanti arrivarono presto: due furono sintetizzati (astato 85 e promezio 61) e il terzo fu scoperto in natura (il francio 87).
Irradiando poi il molibdeno (numero atomico 42) con neutroni del deuterio; nel 1940 venne sintetizzato il nettunio (numero atomico 93, uno in più dell’uranio) e, successivamente, gli atomi con numero atomico da 94 (plutonio) a 100 (fermio).

Elementi con numero atomico maggiore non si possono ottenere con questa tecnica, per cui gli elementi con numero atomico superiore a 100 sono stati prodotti con i reattori nucleari, mediante reazioni di fusione nucleare: nuclei leggeri di carbonio, ossigeno, azoto, boro vengono “sparati” ad alta velocità contro elementi pesanti di numero atomico compreso tra 94 e 98 per ottenere la fusione dei nuclei atomici e creare nuclei di elementi con numero atomico maggiore di 100.

Attualmente si è riusciti a ottenere elementi di numero atomico superiore a 106 (fino a 118) con nuovi acceleratori di ioni pesanti.
Tuttavia, gli elementi più pesanti si disintegrano in tempi brevissimi per le forze repulsive dovute alle cariche positive (i protoni) presenti nel nucleo: più è alto il numero atomico (ossia il numero dei protoni del nucleo), maggiori sono le forze repulsive e più breve è la vita del nucleo, che tende a disintegrarsi emettendo radiazioni.

Non solo. Quando il numero atomico (il numero di protoni del nucleo) è arrivato a valori elevati, succede qualcosa che non ti aspetti a scomvolgere le carte in tavola.

Questo lo vedremo con il prossimo post.

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