La tavola periodica degli elementi (o semplicemente tavola periodica o tavola di Mendeleev) è lo schema con cui sono ordinati gli elementi chimici sulla base del loro numero atomico Z e del numero di elettroni presenti negli orbitali atomici s, p, d, f.
È la prima e storicamente più usata versione di tavola periodica, ideata nel 1869 dal chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev e, in modo indipendente, dal chimico tedesco Julius Lothar Meyer. Contava in principio numerosi spazi vuoti per gli elementi previsti dalla teoria, alcuni dei quali sarebbero stati scoperti solo nella seconda metà del Novecento.
Storia
Lungo la storia della chimica, mentre si scoprivano sempre più elementi, si rese necessaria l'introduzione di una notazione simbolica che permettesse di scriverli in maniera universale, concisa e unica. Vennero dunque create dagli studiosi diverse liste in cui venivano indicati i simboli degli elementi chimici.
Con l'aumentare del numero degli elementi conosciuti, fu chiara la necessità di raggrupparli seguendo un criterio logico inequivocabile. I primi tentativi di raggruppamento furono svolti da Johann Wolfgang Döbereiner che nel 1817 raggruppò a tre a tre gli elementi con caratteristiche chimiche simili. Il lavoro continuò in quella direzione fino alla prima vera e propria tavola periodica, ideata da Dmitrij Ivanovič Mendeleev, che ordinava gli elementi secondo il loro peso atomico e sfruttava la periodicità delle proprietà chimiche per riunire negli stessi gruppi gli elementi con proprietà chimiche simili. Fu solo nel 1913 che, per ovviare a incongruenze riscontrate in alcuni elementi dovute essenzialmente alla presenza in natura degli stessi come miscela di più isotopi in diverse percentuali, il fisico Henry Moseley ne propose un raggruppamento in funzione del numero atomico, linearmente crescente e indipendente dalla quantità neutronica.
La tavola periodica di Mendeleev, salvo qualche leggera modifica, è la tavola periodica che usiamo ancora oggi. Con il passare degli anni, nuovi elementi vengono sintetizzati e si vanno ad aggiungere agli altri elementi della tavola periodica, che comunque conserva le caratteristiche di periodicità osservate da Mendeleev.
Primi tentativi di schematizzazione
Nel 1789 Antoine Lavoisier pubblicò una lista di 33 elementi chimici, raggruppandoli in gas, metalli, non-metalli e terrosi;. i chimici spesero il secolo successivo in cerca di uno schema di classificazione più preciso. Nel 1829 Johann Wolfgang Döbereiner osservò che la maggior parte degli elementi si poteva raggruppare in gruppi di tre in base alle loro proprietà chimiche. Ad esempio litio, sodio e potassio furono raggruppati insieme come metalli soffici e reattivi. Döbereiner osservò anche che, quando confrontava il loro peso atomico, quello del secondo era approssimativamente uguale alla media di quelli del primo e del terzo; questa divenne conosciuta come "legge delle triadi". Il chimico tedesco Leopold Gmelin lavorò con questo sistema e, nel 1843, identificò 10 triadi, tre gruppi da 4 e uno da 5.. Jean Baptiste Dumas pubblicò un lavoro nel 1857 nel quale descriveva le relazioni fra i vari gruppi dei metalli. Nonostante vari chimici fossero in grado di identificare le relazioni fra piccoli gruppi di elementi, essi dovevano costruire uno schema che li legasse tutti. Nel 1858, il chimico tedesco August Kekulé osservò che il carbonio ha spesso 4 atomi legato a esso. Il metano per esempio ha un atomo di carbonio e 4 atomi di idrogeno. Questo concetto alla fine divenne conosciuto come valenza e da tale concetto discende che elementi diversi legano con un diverso numero di atomi.
Nel 1862 il geologo francese Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois pubblicò una prima forma di tavola periodica, che lui chiamò "Vis tellurique", cioè "Vite tellurica",. a causa del fatto che in questa configurazione a vite il tellurio assumeva la posizione centrale. Egli fu la prima persona ad accorgersi della periodicità degli elementi. Con gli elementi posizionati su una spirale su un cilindro, de Chancourtois dimostrò che gli elementi con caratteristiche simili sembravano apparire a intervalli regolari. La sua tabella includeva qualche ione e composto oltre agli elementi. Inoltre usò nella sua tabella termini geologici anziché chimici e non includeva un diagramma; come risultato, essa ricevette poca attenzione fino al lavoro di Dmitrij Mendeleev.
Nel 1864 il chimico tedesco Julius Lothar Meyer pubblicò una tavola con 44 elementi messi in ordine di valenza. La tavola mostrava che gli elementi con proprietà simili spesso condividevano la stessa valenza. Nello stesso periodo il chimico inglese William Odling pubblicò uno schema di 57 elementi, ordinati in base al loro peso atomico. Seppur con qualche irregolarità e buco, egli si accorse che sembrava che ci fosse una periodicità dei pesi atomici fra gli elementi e che questo si accordava con "il raggruppamento che ricevevano di solito". Odling alluse all'idea di una legge periodica ma non la perseguì.. Egli in seguito (nel 1870) pubblicò una classificazione degli elementi basata sulla valenza.
Il chimico inglese John Newlands produsse una serie di fogli dal 1863 al 1866, notando che quando gli elementi erano ordinati in ordine di peso atomico crescente, proprietà fisiche e chimiche simili ricorrevano a intervalli di 8, egli paragonò questa periodicità alle ottave della musica. Questa così definita "legge delle ottave", però, fu ridicolizzata dai contemporanei di Newlands e la Chemical Society rifiutò di pubblicare il suo lavoro.. Newlands comunque abbozzò una tavola degli elementi e la usò per predire l'esistenza di elementi mancanti, come il germanio, il gallio e lo scandio. La Chemical Society riconobbe l'importanza di queste scoperte solamente 5 anni dopo aver premiato Mendeleev.
Nel 1867 Gustavus Hinrichs, un chimico accademico nato in Danimarca e operante negli Stati Uniti, pubblicò un sistema periodico a spirale basato su pesi e spettri atomici e somiglianze chimiche. Il suo modello fu considerato cervellotico, vistoso e complicato e questo ne ha probabilmente ostacolato il riconoscimento e l'accettazione.
La tavola periodica di Mendeleev
Nel 1870 il chimico tedesco Julius Lothar Meyer pubblicò una versione estesa della sua tavola periodica del 1864. In maniera indipendente, il professore di chimica russo Dmitrij Mendeleev pubblicò nel 1869 la sua prima tavola periodica. Nelle tavole periodiche di Meyer e Mendeleev gli elementi erano ordinati in righe e colonne, in ordine di peso atomico e cominciavano una nuova riga o colonna quando le caratteristiche degli elementi cominciavano a ripetersi..
Tra le due, fu adottata la tavola di Mendeleev in quanto era più precisa rispetto alla tavola di Meyer per due ragioni: in primo luogo erano presenti degli spazi vuoti (capì che senza di essi la tavola periodica non poteva essere precisa), ipotizzando che gli elementi corrispondenti a tali spazi vuoti non fossero stati ancora scoperti; Mendeleev non fu il primo chimico a farlo, ma fu il primo a cui fu riconosciuto di usare gli andamenti nella sua tavola periodica per predire le proprietà di quegli elementi mancanti, come scandio, gallio e germanio, che chiamò ekaboro, ekaalluminio ed ekasilicio, rispettivamente; in secondo luogo Mendeleev decise di ignorare occasionalmente l'ordine suggerito dai pesi atomici e di scambiare elementi adiacenti per farli entrare nella colonna con le loro stesse proprietà chimiche.
Quando si svilupparono le teorie della struttura atomica, ci si accorse che Mendeleev aveva, senza volerlo, ordinato gli elementi in ordine di numero atomico o carica nucleare crescente. L'importanza dei numeri atomici nell'organizzazione della tavola periodica non fu apprezzata finché non si scoprì l'esistenza dei protoni e dei neutroni. Le tavole periodiche di Mendeleev usavano la massa atomica invece del numero atomico per organizzare gli elementi, informazione determinabile con buona precisione al suo tempo. Come notato, la massa atomica funzionava abbastanza bene nella maggior parte dei casi a dare una rappresentazione che era in grado di predire le proprietà degli elementi mancanti in maniera più accurata di qualsiasi altro metodo. La sostituzione con i numeri atomici fornì una sequenza definitiva, basata sugli interi per gli elementi, usata ancora oggi perfino quando nuovi elementi sintetici sono prodotti e studiati.
Gli sviluppi successivi Nel 1871 Mendeleev pubblicò una forma aggiornata della tavola periodica, dando anche accurate predizioni sugli elementi che aveva notato che mancavano, ma che sarebbero dovuti esistere. Questi vuoti furono riempiti in sequenza, quando i chimici scoprirono nuovi elementi reperibili in natura. Inoltre la scoperta dei "gas rari" o "nobili", fra il 1885 e il 1890, fece aggiungere un ottavo gruppo, ovvero una colonna a destra delle sette indicate da Mendeleev.
Con lo sviluppo della meccanica quantistica diventò evidente che ogni periodo (riga) corrispondeva al riempimento dei livelli energetici caratterizzati dallo stesso numero quantico principale. Atomi più grandi hanno più orbitali elettronici con lo stesso numero quantico principale, quindi le tavole successive hanno richiesto periodi sempre più lunghi. Conseguentemente, nel 1905, Alfred Werner propose un modello esteso di tavola periodica su 32 colonne, in cui lantanidi e attinidi ed elementi di transizione, erano inseriti fra il 2º e il 3º gruppo di Mendeleev. Questa proposta fu modificata da Paul Pfeiffer nel 1920, che restrinse la tavola a 18 colonne, come si rappresenta tuttora, mettendo i lantanidi e gli attinidi su un unico rigo sotto la tavola. Nonostante piccole quantità di qualche elemento transuranico (più pesante dell'uranio) si trovino in natura, tutti questi elementi sono stati scoperti in laboratorio. La loro produzione ha espanso la tavola periodica in maniera significativa. Il primo di questi fu il nettunio, sintetizzato nel 1939. Poiché molti degli elementi transuranici sono molto instabili e decadono velocemente, è difficile individuarli e studiarne le caratteristiche. Ci sono state controversie a proposito della scoperta di qualche elemento annunciata in competizione da diversi laboratori; questo ha richiesto che recensioni indipendenti determinassero quale squadra di ricerca avesse la priorità e di conseguenza il diritto di dare il nome all'elemento.
Nel 1943 il chimico statunitense Glenn Seaborg sintetizzò il plutonio; due anni dopo (nel 1945) suggerì che gli attinidi, come i lantanidi, avessero il sotto-orbitale f pieno; prima infatti si pensava che gli attinidi formassero una quarta riga nell'orbitale d. L'ipotesi di Seaborg fu successivamente verificata, e nel 1951 gli fu conferito il Premio Nobel per la chimica per i suoi lavori di sintesi degli attinidi.. Da questo momento i lantanidi e gli attinidi furono rappresentati su due diverse righe del blocco f.
Nel 2010, la collaborazione russo-statunitense nel laboratorio dell'Istituto unito per la ricerca nucleare di Dubna, in Russia, ha annunciato di aver sintetizzato alcuni atomi di tennesso (l'elemento 117, all'epoca noto col nome provvisorio "ununseptio"). Nel 2012 sono stati accettati e nominati il flerovio (elemento 114) e il livermorio (elemento 116). Il 30 dicembre 2015, gli elementi 113, 115, 117 e 118 sono stati introdotti nella tavola periodica ufficiale dell'IUPAC, andando così a completare il settimo periodo della tavola. I loro nomi ufficiali (rispettivamente nihonio, moscovio, tennesso e oganesson) sono stati ufficialmente approvati il 28 novembre 2016.
L’Assemblea Generale delle Nazioni Unite ha dichiarato il 2019 “Anno Internazionale della Tavola Periodica degli Elementi Chimici” in occasione dei 150 anni dalla pubblicazione della tavola periodica di Dmitrij Mendeleev.
La tavola periodica in lingua italiana