A 12 anni il futuro medico e scrittore Oliver Sacks al Museum of Natural History di Londra rimane colpito dalla chiarezza e semplicità di uno strano armadio con campioni di elementi chimici collocati in una griglia ordinata: la Tavola Periodica. Questa apparente semplicità cela , frutto dell’intuizione geniale del chimico russo, Dmitrij Ivanovic Mendeleev, cela uno sguardo profondo e intelligente sulla realtà. Per sottolinnearne il valore, a 150 anni dalla sua pubblicazione (marzo 1869), alcuni anni fa, l’Unesco ha proclamato il 2019 Anno Internazionale della Tavola Periodica, definita “capolavoro scientifico”, e ha riconosciuto la centralità degli elementi chimici nel creare un linguaggio che leghi cultura, economia e politica.
La necessità di classificare gli elementi si intreccia con la loro progressiva scoperta e con la riflessione fondamentale dell’uomo che, sin dall’antichità, si interroga se sia possibile spiegare la complessità del reale con uno o pochi principi semplici, gli elementi appunto.
I primi a cimentarsi con il problema furono i filosofi della Ionia, oggi Turchia, che misero le basi per quella che, grazie ad Aristotele, diventerà la descrizione “classica”: quattro elementi – terra, acqua, fuoco, aria – più un quinto, l’etere, tipico del mondo celeste. Con il definirsi delle metodologie che oggi definiamo “scientifiche” e il progredire dei sistemi di analisi, capaci di scomporre materie complesse in specie più semplici, la ricerca degli elementi mira a scoprire tra le materie conosciute sostanze di base che non possono essere ulteriormente divise. Gli scienziati del Settecento sono molto consapevoli del carattere “provvisorio” di questa visione, perché i metodi di scomposizione sono destinati a migliorare. Lavoisier nel 1789 dice più o meno così: se noi chiamiamo elemento l’ultimo termine al quale giunge l’analisi, tutte le sostanze che non abbiamo potuto decomporre con alcun mezzo sono per noi elementi; non possiamo essere sicuri al 100% che questi corpi semplici non siano essi stessi composti di due o più elementi, ma poiché non siamo capaci di separarli, li consideriamo elementi fino a quando non si dimostrerà il contrario. Al tempo di Lavoisier erano noti circa 30 elementi, che grazie al progresso dei metodi aumenteranno rapidamente nell’Ottocento.
Con il crescere del loro numero, era assolutamente necessaria una classificazione d’insieme che mettesse in relazione i diversi elementi in base alla maggiore o minore similitudine. Mendeleev poté appoggiarsi al lavoro di altri scienziati che lo avevano preceduto: era ben noto che ogni elemento ha un peso (il cosiddetto peso atomico), primo responsabile delle differenze di comportamento tra i diversi elementi; inoltre, di ogni elemento erano note le proprietà fisiche (ad esempio se era un solido o un gas) e come si comportava chimicamente se veniva fatto reagire con altre specie. Ci furono anche abbozzi di classificazione, ad esempio gruppi di tre elementi con comportamento simile, le“triadi” (del tedesco Döbereiner), e tentativi per disporli in diverse righe in modo che elementi simili si trovassero incolonnati uno sotto l’altro come le note della scala (le ottave dell’inglese Newlands). Però il “bandolo” ancora mancava…
Mendeleev capì che “disponendo gli elementi in ordine crescente di peso atomico [dal più leggero al più pesante] e andando a capo nello scriverli dove si osserva uno stacco, una discontinuità nelle proprietà chimiche, si vengono a trovare in colonna gli elementi simili”. Si ha quindi lungo una riga, il periodo, una variazione graduale delle proprietà, con elementi vicini simili ed elementi agli estremi nettamente dissimili; in una colonna, il gruppo, si trovano invece elementi con comportamento chimico uguale.
Un aspetto sorprendente, legato al fatto che le proprietà di un elemento possono essere ricavate in base alla sua posizione, è che Mendeleev non solo aveva disposto gli elementi conosciuti, ma aveva previsto l’esistenza di elementi ancora non scoperti: li chiamò provvisoriamente eka-boro, eka-silicio, eka-manganese ed eka-alluminio, descrivendone le proprietà e lasciando nella tavola spazi vuoti. Nel 1875 fu scoperto il gallio (Ga), l’eka-alluminio di Mendeleev, seguirono lo scandio (Sc, eka-boro) nel 1879 e il germanio (Ge, l’ekasilicio) nel 1886. Da allora, i chimici di tutto il mondo hanno scoperto una sessantina di nuovi elementi e la Tavola Periodica ha subito alcune trasformazioni, senza tuttavia mai mettere in discussione la periodicità scoperta da Mendeleev.
La Tavola Periodica odierna, formalmente uguale a quella di Mendeleev, si basa su un principio del tutto diverso: gli elementi non sono disposti in ordine di peso, ma di quello che si chiama Numero Atomico, cioè il numero di protoni nel nucleo dell’atomo. Informazione che Mendeleev non conosceva perché la scoperta delle particelle presenti nell’atomo avvenne solo alcuni decenni più tardi. Tuttavia, la forma della Tavola non si è modificata perché le proprietà dei diversi elementi, quelle che Mendeleev aveva accuratamente valutato per disporre gli atomi, dipendono proprio da come sono fatti nella parte più esterna gli atomi che li costituiscono. Dunque noi siamo in grado di giustificare la causa (atomi con struttura simile) di quelle proprietà che gli elementi manifestano quando reagiscono, su cui si era basato Mendeleev.
Gli elementi più pesanti non esistono in natura e sono stati creati artificialmente con l’aiuto di reattori nucleari. Si producono pochissimi atomi instabili.che “spariscono” in tempi brevissimi. Nel novembre 2016 sono stati battezzati gli ultimi elementi scoperti: Nihonium (Nh, numero atomico 113), Moscovium (Mc, 115), Tennessine (Ts, 117) e Oganesson (Og, 118).