12 de agost de 2019
12.08.2019

Mendeléiev i la Taula dels Elements

12.08.2019 | 06:00

Som en ple Any Internacional de la Taula Periòdica. La Societat Catalana de Química i altres entitats han fet actes per donar a conèixer la importància de la química en la vida quotidiana (cf. ). Els meus escassos coneixements de química queden lluny (del meu curs preuniversitari!), cosa que no vol dir que em tanqui a adquirir al llarg de la vida nous avenços com ara el fet que, avui, es consideren més elements que no pas en el meu temps d'estudiant. No fa pas tant que, en el primer congrés internacional de químics celebrat el 1860 a Karlsruhe, americans i europeus es van posar d'acord per primer cop sobre la naturalesa i definició de conceptes com ara àtom, molècula i element. Baroja es feia creus que la majoria dels seus col·legues a la facultat de medicina no sabien que un element era una substància pura que no es pot descompondre en cap altra substància pura més senzilla mitjançant mètodes químics. Avui qualsevol estudiant sap que un àtom és la mínima quantitat d'un element químic que presenta les mateixes propietats de l'element i que és compost de protons, de càrrega positiva, neutrons, sense càrrega elèctrica, i electrons amb càrrega negativa. I que un grup d'àtoms (almenys dos), elèctricament neutre i suficientment estable, d'un únic element químic o de diversos elements, conforma les molècules. S'atorga el mèrit de ser el principal classificador dels elements químics al rus Dmitri Ivànovitx Mendeléiev (1834–1907), encara que es veu que el terme «taula periòdica» no el va pas encunyar ell, sinó que va aparèixer al segle XX, després de la seva mort. Entre 1868 i 1871 va publicar els dos volums de Principis de la química, on desenvolupava la seva recerca principal, això és, l'enunciació de la llei periòdica dels elements, base de la seva classificació periòdica, cosa que li va permetre de predir-ne les propietats d'alguns que encara estaven per descobrir com el gal·li, l'escandi o el germani.
El mèrit de Mendeléiev va ser descobrir una relació entre els diversos elements que conformen la matèria. Primerament s'adonà que cada element químic es definia pel nombre atòmic, un nombre enter que al seu temps estava comprés entre l'1 i el 63 –ara són 118 i possiblement se'n descobreixin més– corresponent al nombre de protons que es troben en el nucli de cada àtom de l'element, fet que determina el nombre d'electrons que orbiten al voltant d'aquest nucli. (Aquests electrons, particularment els que ocupen les «capes» més externes, determinen les propietats químiques de l'element en qüestió). Així, l'element 1 era l'Hidrogen; el 2, l'Heli; el 3, el Liti; el 4 el Beril·li; el 5, el Bor, etc. Tot seguit descobrí que, si s'ordenaven aquests elements en funció del seu pes atòmic, s'observaven una sèrie de propietats que apareixien de manera periòdica al llarg de l'ordenació, ja fossin propietats físiques (punt de fusió, densitat, color...) o químiques (valència o capacitat de combinació amb altres elements, compostos, reactivitat química amb l'aire, l'aigua, els àcids, les bases...). I aleshores els agrupà en columnes: a sota l'1 no hi anava pas l'Heli com a element 2 sinó el Liti com a 3, perquè tenia propietats més afins; en canvi, el Beril·li, element 4, començava una nova columna... Què és el pes atòmic? El pes atòmic (avui es prefereix parlar de massa atòmica) és una magnitud que dona idea de la massa de cada àtom. També se li diu massa molar. I aquí hi entra el concepte de mol, unitat de mesura de la quantitat de substància (6,02·1023 àtoms, número o constant d'Avogadro, número de partícules que es troben en la quantitat de substància elemental d'un mol ). És a dir, un mol de cadascun dels elements pesa la seva massa molar. En el cas de l'Hidrogen, 1 mol d'Hidrogen, és a dir 6,02·1023 àtoms d'Hidrogen, equival a un gram; aleshores el mol de Titani equival a 47,867 grams perquè la massa relativa del Titani amb relació a l'Hidrogen és 47,867 vegades més gran. En altres paraules, el pes d'un mol o d'un nombre x d'àtoms de Titani sempre és 47,867 vegades més gran que el pes d'un mol o del nombre x d'àtoms d'Hidrogen. En comptes d'Hidrogen, avui es pren la proporció amb relació al Carboni (el pes atòmic o massa relativa del qual és 12,011), de manera que el pes atòmic (o massa atòmica relativa) de qualsevol element és la raó de la massa mitjana per àtom de l'element amb relació a 1/12 de la massa d'un àtom de Carboni. (Per cert, el pes atòmic o massa atòmica relativa no té res a veure amb la densitat: a temperatura normal, el Xenó té un pes atòmic de 131 i és un gas i, en canvi el Ferro té un pes atòmic de 55 i és un sòlid metàl·lic.)
Des del 1869 fins al 1913 totes les taules periòdiques estaven basades en les masses atòmiques dels elements. Avui s'ordenen pel número atòmic creixent, que coincideix amb l'ordre creixent de massa atòmica relativa. Les columnes o grups representen àtoms amb nombre d'electrons creixent en les capes orbitals més externes, des d'un sol electró a la columna de l'esquerra (del reactiu sodi i el grup de metalls alcalins) fins als no reactius gasos nobles de la dreta, amb els seus orbitals plens. Aleshores comença una nova fila o període, amb un metall alcalí més pesat, i s'arriba, al final, amb el més pesat gas noble (el radó). En la taula, cada rectangle resultant de creuar files i columnes porta el símbol de l'element en gros, el nom en petit i, a dalt, a l'esquerra, el nombre atòmic i, a la dreta, la massa atòmica relativa. D'aquesta manera, tots els elements s'agrupen així: 4 blocs segons les seves configuracions electròniques (indiquen en quin tipus d'orbital se situa l'electró de major energia de cada element); 7 períodes o fileres; 18 grups o famílies (columnes), amb propietats físiques i químiques molt singulars (per exemple: grup d'halògens, grup de gasos nobles...); finalment, 10 sèries o grups d'elements amb propietats semblants o més generals que les famílies. A més a més, es distingeixen pels colors de fons: metalls alcalins, un color; lantànids, un altre; actínids, un altre, etc. I també s'han triat quatre colors per als nombres atòmics o masses atòmiques relatives: el blau són líquids a TPE (Temperatura i Pressió Estàndard); en verd, gasos a TPE; en negre, són sòlids a TPE; en vermell, son sintètics (tots són sòlids a TPE). Classificada així, es pot copsar i comparar en un cop de vista una sinopsi de tota la matèria coneguda de l'univers.
Tota? David Pérez, premi a les ciències i a l'enginyeria, explicava el passat mes de juny que estava creant una taula periòdica de propietats quàntiques. «Hem classificat les propietats quàntiques que poden aparèixer en materials a baixa temperatura en una mena de taula periòdica que hem creat per definir tot el que la mecànica quàntica diu que pot passar, encara que no s'hagi observat encara.»

Compartir a Twitter
Compartir a Facebook