La tavola periodica: come si legge e perché è organizzata così

Il criterio d’ordine: il numero atomico

La tavola periodica dispone gli elementi chimici in ordine di numero atomico crescente, cioè in base al numero di protoni contenuti nel nucleo di ogni atomo. Non è sempre stato così. Quando Dmitri Mendeleev pubblicò la sua tavola, nel febbraio 1869, l’unico strumento di confronto disponibile era il peso atomico, la massa media dell’elemento: dispose le schede degli elementi allora noti in ordine di peso atomico crescente, e notò che alcuni tipi di elemento ricorrevano a intervalli regolari.

Il salto di paradigma arrivò nel 1913, quando il fisico Henry Moseley usò i raggi X per misurare sperimentalmente il numero atomico di ogni elemento. Disponendo la radice quadrata della frequenza dei raggi X emessi in funzione del numero atomico, ottenne una relazione perfettamente lineare: un metodo misurabile e riproducibile che spiegava perché alcuni elementi andassero riordinati rispetto alla classificazione per solo peso atomico di Mendeleev. Da allora il numero atomico, cioè il numero di protoni nel nucleo, è il criterio ufficiale della tavola periodica moderna.

Periodi e gruppi: righe e colonne che dicono qualcosa

Le righe orizzontali della tavola si chiamano periodi, e ogni periodo termina con un gas nobile. Le colonne verticali si chiamano gruppi, numerati da 1 a 18: questa numerazione, oggi standard in tutto il mondo, è raccomandata da IUPAC dal 1988, al posto dei vecchi sistemi con numeri romani e lettere A e B.

La posizione in un gruppo dipende dalla struttura dell’atomo: gli elementi di una stessa colonna condividono lo stesso numero di elettroni nel livello energetico più esterno dell’atomo, gli elettroni di valenza, e questo spiega perché hanno proprietà chimiche simili tra loro. La configurazione elettronica allo stato fondamentale, insieme al numero atomico, è tra le grandezze che definiscono ogni elemento e la sua collocazione nella tavola: un concetto che torna anche a proposito degli elettroni nella corrente elettrica.

Esempio pratico: quando Mendeleev lasciò una casella vuota nella sua tavola del 1869, la posizione di quella casella, tra gli elementi già noti, gli permise di prevedere le proprietà di un elemento ancora sconosciuto, che chiamò provvisoriamente eka-alluminio. Nel 1875 fu scoperto il gallio, e le sue proprietà chimiche corrisposero quasi esattamente alla previsione. Lo stesso accadde entro il 1886 per lo scandio e il germanio: tre conferme che valsero alla tavola di Mendeleev il riconoscimento universale.

Prima di Mendeleev: una storia di quasi un secolo

Nel 1789 Antoine Lavoisier aveva già raggruppato gli elementi allora noti in quattro categorie: gas, non metalli, metalli e “terre”. Nel 1829 Johann Döbereiner individuò le prime “triadi” di elementi con proprietà simili. Nel 1860 la conferenza di Karlsruhe fornì dati più accurati sui pesi atomici, un presupposto tecnico che rese possibili i tentativi successivi: nel 1862 Alexandre Béguyer de Chancourtois pubblicò una disposizione tridimensionale a cilindro, la vite tellurica, che mostrava già la periodicità delle proprietà degli elementi, e nel 1865 John Newlands propose la “Legge delle Ottave”, notando somiglianze tra elementi i cui pesi atomici differivano di sette unità.

Tra il 1864 e il 1870 Julius Lothar Meyer produsse diverse tavole periodiche: la sua versione del 1868 elencava gli elementi per peso atomico, con quelli di uguale valenza disposti in colonne verticali, un lavoro sviluppato in modo indipendente e quasi identico a quello di Mendeleev, ma pubblicato dopo. Il contributo specifico di Mendeleev fu lasciare deliberatamente delle caselle vuote per gli elementi non ancora scoperti e prevederne le proprietà: una capacità predittiva che nessuno dei tentativi precedenti aveva dimostrato con altrettanta forza.

Una tavola ancora in aggiornamento

L’International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), l’autorità ufficiale mondiale per nomenclatura e classificazione degli elementi, aggiorna la tavola periodica con regolarità. Gli ultimi quattro elementi della tavola, i numeri 113, 115, 117 e 118, sono stati nominati ufficialmente nel novembre 2016, dopo la verifica delle rispettive scoperte da parte di IUPAC insieme a IUPAP, l’International Union of Pure and Applied Physics. La tavola ufficiale arriva oggi fino all’elemento 118, l’oganesson.

Anche i dati numerici associati agli elementi vengono rivisti. L’ultima versione ufficiale della tavola IUPAC porta la data del 4 maggio 2022 e integra i valori più recenti dei pesi atomici standard, calcolati dalla Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights, l’ente IUPAC istituito nel 1899. La logica dei gruppi non riguarda solo la tavola: è la stessa che serve per seguire da dove viene il carbonio usato dalle piante nella fotosintesi clorofilliana o il ruolo dell’anidride carbonica nell’effetto serra.