Il sogno di Mendeleev: la tavola periodica degli elementi

L’edificio della scienza richiede non solo il materiale, ma anche un progetto: ha bisogno che si preparino i materiali, che li si combini, che si seguano le indicazioni del progetto e di proporzioni simmetriche tra le varie parti.
Dmitrij Ivanovic Mendeleev

A 12 anni, subito dopo la fine della Seconda Guerra mondiale, il futuro medico e scrittore di successo Oliver Sacks viene colpito da un particolare armadio che si trovava al Science Museum di Londra. Conteneva campioni di diversi elementi chimici, ognuno collocato in una precisa posizione all’interno di una griglia ordinata. Sul cartiglio si poteva leggere ‘tavola periodica’ e per il giovanissimo Sacks è stata una rivelazione, che racconta così in un articolo pubblicato nel 1999 sul New York Times: “la tavola periodica era così sintetica e semplice: tutti e 92 gli elementi erano ridotti a due assi, e lungo ognuno di essi una progressione ordinata di diverse proprietà”. Questo modo di organizzare gli elementi chimici è il frutto di un’idea geniale di un ricercatore russo dell’Ottocento, che però si era immaginato la tavola periodica quando gli elementi erano molti meno dei 92 conosciuti da Sacks bambino. Il suo nome era Dmitrij Ivanovic Mendeleev.

 

Chi è Dmitrij Mendeleev?

Dmitrij Ivanovic Mendeleev nasce l’8 febbraio del 1834 a Tobol’sk, la storica capitale della Siberia Occidentale. La sua infanzia e giovinezza sono segnate da un serie di sfortune che avrebbero potuto far andare diversamente la storia della chimica. Subito dopo la sua nascita, il padre Ivan Pavlovic diventa cieco e deve lasciare il lavoro di direttore del ginnasio locale, costringendo la madre a prendersi cura dei tanti figli (14 o 12, a seconda delle fonti) e vivendo in estrema povertà.

Dmitrij Ivanovic Mendeleev in una foto degli anni 1890 pubblicata dala Photographische Gesellschaft di Berlino, c. 1910.

Dopo qualche anno, la madre Maria Kornilieva, oramai vedova, diventa dirigente in una importante fabbrica locale di vetro, migliorando le condizioni economiche della famiglia. Ma la sfortuna è di nuovo dietro l’angolo: nel 1848 la fabbrica viene distrutta da un incendio e i Mendeleev ripiombano nella miseria. L’istruzione deve comunque aver giocato un ruolo importante nei valori della sua famiglia perché, nonostante le difficoltà, Maria intraprende un faticoso viaggio fino a San Pietroburgo per cercare di dare a Dmitrij la possibilità di studiare. Pochi giorni dopo l’iscrizione a scuola, però, Maria muore di tubercolosi, e Dmitrij rimane solo con uno dei propri fratelli.

 

Le difficoltà di un giovane professore

I buoni risultati scolastici gli garantiscono prima l’accesso all’Istituto pedagogico, dove studia fisica e matematica, e poi una borsa di studio che lo porta nel 1859 a Heidelberg, in Germania, dove insegna Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899), l’inventore dell’omonimo becco. Sempre in Germania, nel settembre del 1860 partecipa al primo vero e proprio congresso internazionale di chimica a Karlsruhe, dove incontra anche l’italiano Stanislao Cannizzaro (1826-1910) che propone, subito accettato dalla comunità dei chimici, un semplice sistema per calcolare il peso atomico degli elementi, secondo la cosiddetta “regola di Cannizzaro”: «Le quantità in peso di uno stesso elemento contenute nelle molecole di sostanze diverse, sono tutte multipli di una stessa quantità, la quale deve ritenersi il peso atomico dell’elemento».

Ricordiamo qui che all’epoca il termine ‘peso atomico’ indicava ciò che oggi chiamiamo ‘massa atomica’, vedi il nostro articolo La “strada sbagliata” di William Prout.

Nonostante gli avanzamenti del congresso di Karlsruhe, rimane aperto un enorme problema, di cui anche lo stesso Mendeleev si rende conto quando comincia a insegnare a San Pietroburgo. Manca un chiaro sistema di classificazione degli elementi chimici noti all’epoca, senza il quale si può solamente farsi un’idea precisa solamente di parti del mondo degli elementi. Sono le difficoltà che incontrano i suoi studenti: conoscono bene alcuni mattoni, ma gli manca una comprensione del muro. All’epoca, infatti, le poche decine di elementi conosciuti erano classificate in due modi: secondo il peso atomico oppure secondo le caratteristiche simili che possiedono, come per esempio presentarsi in stato gassoso a temperatura ambiente o essere un metallo.

Da questo punto di vista, già dall’inizio dell’Ottocento, il chimico tedesco Johann Döbereiner (1780-1849) aveva notato come alcuni elementi avessero caratteristiche simili. In particolare, aveva notato che il peso atomico dei metalli alcalino-terrosi forma una serie, con il peso dello stronzio (circa 88) che si colloca proprio a metà tra quello di calcio (circa 40) e bario (circa 137). Scopre altri terzetti di questo genere, che battezza ‘triadi’, un fattore che convince molti chimici ottocenteschi che il peso atomico rappresenti una caratteristica fondamentale di ogni elemento.

 

Il sogno del 1869

Mendeleev, sempre preso a studiare come organizzare gli elementi noti, nel 1868 butta giù una tabellina con i pesi atomici degli elementi. Oltre ai metalli alcalino-terrosi di Döbereiner, aggiunge anche i metalli alcalini e gli alogeni che conosceva:

È a questo punto, guardando questo semplice schema, che Mendeleev si accorge che gli elementi si presentano con una periodicità fissa: un alogeno seguito da un metallo alcalino, seguito da un metallo alcalino-terroso. Lo interpreta come una parte del più grande pattern della chimica, ma è solo nell’anno successivo, che, secondo la mitologia che segue la scoperta (o invenzione?) della tavola periodica, arriva il punto di svolta. Mendeleev era venuto a conoscenza di un gioco solitario in cui il giocatore deve cercare di organizzare le carte in ordine sia verticale sia orizzontale in una struttura rettangolare. Si costruisce, quindi, delle carte con i 65 elementi conosciuti e prova disporli continuamente in modi diversi, ricercando una certa regolarità. La notte tra il 16 e il 17 febbraio del 1869, consumato dalla fatica del proprio lavoro, cade addormentato e sogna, o dice di aver sognato, la combinazione corretta per “incastrare” tutti gli elementi noti. La mattina successiva, appena sveglio, la trascrive su carta: è nata la prima versione della tavola periodica degli elementi.

Fotografia del manoscritto originale della prima stesura della tavola periodica di Mendeleev dopo il “sogno” del 1869.

 

L’eredità di Mendeleev

Contemporaneamente alla sua, molti altri chimici hanno proposto organizzazioni degli elementi allora conosciuti secondo i più disparati principi e facendo assumere alla tavola periodica le più diverse forme. La proposta di Mendeleev, però, aveva dalla sua una enorme forza predittiva. Il chimico russo, infatti, nell’organizzare gli elementi noti, aveva lasciato tre “buchi” laddove immaginava che ci sarebbe dovuto essere un elemento. La prima conferma che le sue previsioni erano corrette si ebbe nel 1875, con la scoperta del gallio. Stessa sorte hanno avuto anche lo scandio, scoperto nel 1879, e il germanio, scoperto nel 1886. Mendeleev non è stato l’unico a prevedere l’esistenza di questi elementi, ma è stato colui che ha utilizzato con maggiore efficacia la loro organizzazione periodica per individuarne le caratteristiche prima ancora che venissero scoperti.

Per approfondire in che modo i nuovi elementi entrano a far parte della tavola periodica degli elementi, vedi il nostro articolo Come si aggiunge un elemento alla tavola periodica? di Stefano Dalla Casa.

Negli anni successivi, Mendeleev continuò a lavorare alla tavola periodica e la maggiore aggiunta è probabilmente quella dell’ottavo gruppo, i gas nobili, che diventa l’ottava colonna nel 1890. Da allora, anche oltre la scomparsa di Mendeleev, i chimici di tutto il mondo hanno scoperto una sessantina di nuovi elementi e la tavola periodica ha subito alcune trasformazioni, la più evidente è l’inserimento dei lantanidi (numero atomico compreso tra 57 e 71) e degli attinidi (numero atomico tra 89 e 103). Ma non è mai successo che, nemmeno nel caso degli elementi transuranici creati in laboratorio, se ne sia individuato uno con caratteristiche tali da mettere in discussione la periodicità scoperta da Mendeleev durante il suo sogno.

 

Per approfondire

L’articolo di Oliver Sacks pubblicato dal New York Times si intitola Everything in Its Place. One man’s love affair with the periodic table. Curiosamente è anche il titolo di una raccolta di saggi di Sacks che uscirà postuma nel 2019.

Nella collana di “scienza in DVD” pubblicata da Repubblica-L’Espresso e intitolata “Beautiful Minds” il nono volume è interamente dedicato alla nascita della chimica e si intitola “Harold Kroto racconta Lavoisier e Mendeleev“.

Il programma di risorse online per la scuola della BBC ha uno speciale dedicato a Mendeleev intitolato Mendeleev’s periodic table

Breve video (in inglese) della PBS su Dmitrij Mendeleev e la sua tavola periodica degli elementi.

La più recente biografia (in inglese) è quella pubblicata da Michael D. Gordin nel 2004 e recensita da Nature.

La più completa lista di risorse online su Mendeleev si trova qui ed è curata dal chimico dell’università di Mosca Eugene V. Babaev.

immagine di copertina: Gianluca Patti e Bianca Sangalli Moretti

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Commenti [2]

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  1. Marina Scandola

    Grazie per questo approfondimento. Mentre conosco bene ‘Il sistema periodico’ di Primo Levi, usato spesso con gli studenti del 5° anno, non ho ancora letto il libro di Atkins che indicate. Grazie per aiutarci nell’aggiornamento.

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  2. Nardone Rita

    molto interessante per un approfondimento sulle applicazioni della matematica
    nelle altre discipline scientifiche!

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