El 24 de noviembre de 1859, Charles Darwin publicó en inglés un libro redactado en lenguaje accesible a no especialistas con el extenso título de On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life (Sobre el origen de especies por medio de selección natural, o la preservación de razas favorecidas en la lucha por la vida). Con los años y las sucesivas ediciones terminó siendo conocido sencillamente por El origen de las especies. La obra revolucionó el pensamiento biológico, al punto de haberse afirmado de la visión que expone sobre la evolución de la vida en la Tierra –la teoría de la evolución por selección natural– que nada tiene sentido en la biología actual si no se lo pone en el contexto de esa teoría. En toda la historia de la ciencia, pocas obras han tenido tal influencia transformadora, incrementada por las polémicas que suscitó fuera del ámbito científico, en especial en medios religiosos de los países anglohablantes.
Este año se celebra el sesquicentenario de otra obra de la que se puede sostener que tuvo comparables consecuencias en otra rama del conocimiento humano: las ciencias fisicoquímicas. Nos referimos a un libro llamado La ley periódica, publicado en ruso el 1 de marzo de 1869 por el químico Dimitri Ivanovich Mendeléiev. El 18 del mismo mes, el autor expuso su pensamiento en San Petersburgo, en la Sociedad Química Rusa, con el título de La dependencia entre las propiedades de los elementos y sus pesos atómicos. Así tomó su forma inicial la tabla periódica de los elementos, que ese mismo año, después de aparecer en ruso en una revista especializada de ese país, fue reproducida en alemán, entonces la lengua internacional de la ciencia, en el Zeitschrift fuer Chemie. Como la teoría de la evolución, la tabla periódica tuvo por un tiempo tanto aceptación como rechazo, incluido el hecho de que, luego de un intenso debate, la Academia Sueca de Ciencia, de la que era miembro, declinó otorgar a Mendeléiev el Nobel de química, como se lo había propuesto el comité Nobel para la disciplina. En este caso, sin embargo, el debate se mantuvo en el ámbito científico.
La tabla periódica es una creación de enorme belleza que nos permite ordenar de un modo lógico los elementos químicos sobre la base de sus propiedades. Podemos definir un elemento químico como un tipo de átomo caracterizado por el número de protones que contiene su núcleo. Dado que los núcleos contienen además neutrones, podemos tener átomos con distinto número de neutrones: son los isótopos del mismo elemento, que tienen básicamente las mismas propiedades químicas. Sin embargo, la química va mucho más allá de los elementos aislados y se interesa por las interacciones entre ellos, que dan lugar a moléculas y materiales. Pero la riqueza de comportamientos químicos de los elementos se puede explicar en gran medida por su posición en la tabla periódica.
En diciembre de 2017, la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamó a 2019 el Año Internacional de la Tabla Periódica de Elementos Químicos, a lo que adhirió la Conferencia General de la Unesco. El artículo que sigue procura explicar a lectores ajenos a la química la índole de la tabla periódica y darles una idea sobre cuál fue la genial intuición de Mendeléiev cuando la creó. Intuición porque tanto Mendeléiev como Darwin imaginaron una estructura conceptual hipotética, ciertamente sobre la base de observaciones sistemáticas y rigurosas, pero que excedía en mucho lo que el análisis de esas observaciones indicaba entonces. Les llevó a ambos y a sus seguidores muchas décadas de nuevas observaciones y mediciones, a menudo con el auxilio de instrumental antes inexistente, convertir esa visión en el sólido y comprobado cuerpo teórico actual de conocimiento.
Los editores agradecen las sugerencias de Darío Estrin para la redacción de esta nota introductoria.
La tabla periódica de los elementos
El físico estadounidense Richard Feynman (1918-1988), premio Nobel de Física en 1965, formuló en una ocasión esta inquietante pregunta: si supiéramos que la civilización humana va a desaparecer y pudiéramos dejar a seres del futuro un mensaje que resumiera todo el conocimiento científico actual, ¿cuál sería ese mensaje? Él mismo proporcionó la respuesta: ‘Todo está hecho de átomos’. Saberlo daría a sus poseedores, según Feynman, la posibilidad de adelantar en más de mil años la adquisición de conocimientos científico-técnicos.
La teoría de los átomos es realmente poderosa, aunque ellos resultaron un tanto intangibles hasta el desarrollo de instrumentos capaces de develar su presencia, como los modernos microscopios electrónicos y de efecto túnel. ¿Por qué no dejar como mensaje que todo está hecho de elementos? Los elementos químicos pueden considerarse las piedras fundamentales de la construcción de la materia. Con ellos pueden formarse nuevas entidades llamadas compuestos, que constituyen el material básico del mundo y de los seres que lo habitan.
Además, los elementos químicos pueden ordenarse y clasificarse según sus propiedades de un modo que resulta extraordinariamente útil para el trabajo del químico. Este ordenamiento se conoce popularmente como la tabla periódica, debida principalmente al genial trabajo del químico ruso Dimitri Mendeléiev (1834-1907). Los elementos se ordenan según una propiedad llamada número atómico –si bien inicialmente su creador empleó el peso atómico– y se clasifican sobre la base de las semejanzas de las propiedades químicas de distintos grupos, que al presente son 18 y corresponden a las columnas de la tabla. Por su lado, los elementos ubicados en las filas de la tabla corresponden a períodos, que al presente son 7. Por ejemplo, el primer grupo (la primera columna), que incluye a los metales alcalinos, incluye entre sus miembros al litio, al sodio y al potasio, elementos que se combinan con oxígeno para formar óxidos compuestos por un átomo de oxígeno y dos del metal, forman hidróxidos al reaccionar con agua, y son metales blandos, de baja densidad y con bajos puntos de fusión.
¿De qué se trata?
Qué es la tabla periódica de los elementos y por qué es tan importante para las ciencias fisicoquímicas.
Equipada con herramientas de uso habitual en el laboratorio, entre ellas la propia tabla periódica, y con el auxilio de teorías provenientes de la física y de disciplinas complementarias como la computación avanzada, la química puede mostrar con orgullo su capacidad para predecir el curso de reacciones químicas, incluyendo la formación de nuevas sustancias a partir de otras. Puede, por ejemplo, pronosticar el curso de reacciones y responder a cuestiones del tipo de ‘si mezclamos la sustancia A con la B, ¿qué nueva sustancia se formará?’. Puede responder preguntas aún más seductoras, como la inversa de la anterior: ‘Si queremos producir una sustancia que tenga tales o cuales propiedades (mecánicas, farmacológicas, médicas, biológicas, etcétera), ¿qué sustancias deberíamos hacer reaccionar?’ o ‘¿de qué modo y bajo qué condiciones hacerlas reaccionar para que el producto final posea una geometría molecular adecuada y produzca el efecto deseado?’. En esta capacidad reside el gran poder de la química como disciplina científica.
Elementos estables
Los ejemplos de las predicciones exitosas de la química se multiplican a lo largo de la historia de la tabla de Mendeléiev. Las deducciones lógicas de este, que lo llevaron a anunciar la existencia de elementos no descubiertos en su época, son conmovedoras. Basta un ejemplo para ilustrar lo dicho. Con el propósito de que su tabla periódica fuese coherente, Mendeléiev se vio obligado a dejar varios huecos sin completar: en el cuarto período (la cuarta fila), entre el zinc (número atómico 30) y el arsénico (número atómico 33) quedaron dos lugares vacíos. El zinc exhibía propiedades químicas semejantes al cadmio, mientras que el arsénico era similar en su comportamiento al antimonio, y ya había otras dos columnas o grupos ocupados, entre los del cadmio y antimonio. Mendeléiev insistió en que esos huecos correspondían a elementos entonces desconocidos, pero que debían existir en algún lugar de la Tierra. Su principal contribución consistió en describir, anticipadamente, las propiedades que debían exhibir tales elementos faltantes.
El elemento ubicado junto al zinc quedaba debajo del aluminio y por encima del indio. Lo llamó ekaaluminio (eka significa uno en sánscrito: el elemento en cuestión se ubicaría una casilla por debajo del aluminio), y predijo que su peso atómico rondaría 68 y que su densidad se aproximaría a 5,9g/cm3. Supuso también que tendría bajo punto de fusión, por lo que podría ser líquido a temperatura ambiente. Químicamente, se podría formar un óxido compuesto por tres átomos de oxígeno y uno de ekaaluminio. Aunque estas afirmaciones no fueron tomadas en serio, en 1874 el químico francés Paul Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) detectó una presencia sospechosa en un mineral de zinc. Procesando cientos de kilogramos de dicho mineral, obtuvo finalmente una pequeña cantidad de un nuevo elemento, que llamó galio en homenaje a su país. El galio tenía las propiedades previstas para el ekaaluminio: se fundía a 30°C, su peso atómico era de 69,72, su densidad de 5,94 g/cm3 y su comportamiento químico coincidía con el pronosticado por Mendeléiev. En años siguientes, otros huecos similares se completaron con nuevos elementos, y cada vez las propiedades coincidieron, en términos generales, con las predichas por el genio ruso.
La tabla fue luego ampliada para dar cabida a nuevas series de elementos. El descubrimiento del argón en 1894 por el químico escocés William Ramsay (1852-1916) y el físico inglés John William Strutt (1842-1919) obligó a agregar una nueva columna, la de los gases nobles, que se completó con el tiempo. En 1789, el químico alemán Martin Heinrich Klaproth (1743-1814) descubrió el uranio. Otros elementos encontrados después inauguraron el conjunto de las tierras raras, que obligaron a insertar, en principio, una serie nueva de elementos en el sexto período de la tabla periódica: los lantánidos, llamados así por el primer miembro de la serie, el lantano. Ya en el siglo XX se demostró que el uranio formaba parte de otra serie de elementos, los actínidos, que debió ubicarse en el séptimo período de la tabla periódica. Es así como, en su forma actual, la tabla periódica acomoda estas dos series, cada una de quince elementos, en los períodos sexto y séptimo. Los lantánidos comprenden los elementos de número atómico entre 57 y 71 (lantano y lutecio), y los actínidos entre los de número atómico 89 y 103 (actinio y laurencio). Hubiese sido necesario expandir horizontalmente la tabla para darles cabida, pero se prefirió mantener el formato original, de mayor simetría y claridad en su presentación.
Elementos inestables
En las primeras décadas del siglo XX se hizo evidente que aún faltaba una larga lista de elementos para ubicar en la tabla periódica. Muchos científicos prominentes contribuyeron a su descubrimiento. A riesgo de ser injustos, diremos que en esa lista sobresalen dos nombres: la química polaco-francesa Marie Slodowska Curie (1867-1934) y el físico estadounidense Glenn T Seaborg (1912-1999). La primera, después de haber recibido en 1903 el premio Nobel de física (junto con Antoine Becquerel y su marido, Pierre Curie), recibió sola el de química en 1911 por el descubrimiento de los elementos radio y polonio. Seaborg fue galardonado en 1951 con el mismo premio por el descubrimiento de diez nuevos elementos químicos y por la introducción de la mencionada serie de los actínidos en la tabla, que incluyó al uranio. Sus descubrimientos contribuyeron a dar a la tabla su forma actual.
El rasgo común de muchos de los elementos que faltaban es su inestabilidad. Los núcleos de sus átomos se desintegran, cada uno en un tiempo promedio característico (medido por su su período de semidesintegración o de semivida, el tiempo en el que su radiactividad se reduce a la mitad), y dan como resultado átomos más estables de otros elementos. Además de los mencionados radio y polonio, varios más existen en la Tierra, aunque tienen corto tiempo de vida; se forman constantemente como resultado de la desintegración de otros elementos, entre ellos el uranio, el torio y el actinio. Otros están ausentes de nuestro planeta, porque ya se desintegraron por completo y no fueron repuestos por otros procesos, pero pueden ser creados (técnicamente, sintetizados) en un laboratorio. El primero en serlo fue el tecnecio, un elemento liviano de número atómico 43, al que le correspondió un hueco algo olvidado en medio de la tabla de Mendeléiev. Esto aconteció en 1925, momento en que comenzaron a producirse muchos de esos elementos inexistentes en la Tierra.
En su forma actual, la tabla periódica contiene 118 elementos, el último de los cuales completa de un modo simétrico y elegante su séptimo y (por ahora) último período. Quizá para evitar controversias en los nombres de los nuevos elementos, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha establecido una nomenclatura sistemática para aquellos con número atómico superior a 100. Las tres cifras del número atómico definen el nombre mediante la unión de las siguientes partículas: 0, nil; 1, un; 2, bi; 3, tri; 4, cuad (quad en inglés); 5, pent; 6, hex; 7, sept; 8, oct y 9, enn. Por ejemplo, el elemento 104 se nombra como unnilcuadio (unnilquadium en inglés). Los símbolos, por otro lado, se forman con tres letras: las iniciales de las partículas empleadas para definir el nombre. En el caso del unnilcuadio, su símbolo sería Unq. No obstante, esta nomenclatura aún no está difundida universalmente, y los químicos prefieren nombres comunes, tal como se advierte en la tabla reproducida en la página 42. Los diferentes nombres reflejan el reconocimiento a científicos pioneros de la teoría atómica (fermio, rutherfordio, bohrio, meitnerio), así como la competencia entre Estados Unidos y Rusia por la creación de nuevos elementos, tanto en términos geográficos (laurencio, dubnio, moscovio, livermorio, téneso) como humanos (seaborgio, oganesón, flerovio).
La isla de la estabilidad
Una divertida consecuencia del frenesí por la creación de nuevos elementos, cada vez más pesados, es la figura que puede construirse ubicando una barra de altura proporcional al tiempo de vida de cada núcleo (medido o estimado, según el isótopo sea conocido o desconocido) en un gráfico bidimensional en el que cada elemento ocupa un lugar definido por sus números de protones y de neutrones. Mirada con buenos ojos, recuerda a un paisaje marino, en el que una península de la estabilidad se hunde en el océano de la inestabilidad y resurge luego como una pequeña isla de núcleos estables: la aún inexplorada isla de la estabilidad. Este fenómeno fue predicho en forma teórica por Seaborg a fines de la década de 1960, cuando no había evidencias experimentales acerca de la existencia de átomos superpesados (aquellos con número atómico superior a 103).
Los últimos elementos de la tabla están recién asomando a las costas de la isla de la estabilidad, y los científicos sospechan que aún resta tierra firme por descubrir. Si la existencia de la isla es real, es inevitable la pregunta sobre si hay más de estos islotes estables, y por lo tanto más elementos superpesados por descubrir. Richard Feynman creía que sí: según sus cálculos, el límite máximo se encontraría en el elemento 137. Aproximaciones más refinadas, llevadas a cabo recientemente, parecen indicar que el número atómico límite sería 173. No distan de ser aproximaciones, pero los números atómicos son muy superiores al del elemento más pesado que hoy se conoce, el 118. Científicos japoneses están trabajando en la creación del elemento 119, que abriría un nuevo período en la tabla de Mendeléiev, el octavo, justo debajo del actual elemento francio. De lograr su objetivo, ampliarían la tabla periódica y demostrarían que ella no ha alcanzado todavía su forma final. Al mismo tiempo, le quitarían su actual simetría.
Como dato de color, en el laboratorio Lawrence Berkeley, que administra la Universidad de California, situado en una colina con vista a la bahía de San Francisco, donde trabajó Seaborg, se calcularon las propiedades teóricas de los entonces desconocidos elementos superpesados de números atómicos 112, 114 y 118. Después de leer el informe producido, el escritor de ciencia ficción y de ensayos científicos Isaac Asimov (1931-1992) no pudo resistir la tentación de realizar sus propias predicciones, al estilo de Mendeléiev. Consideró los puntos de fusión y ebullición conocidos de los elementos precedentes en cada uno de los respectivos grupos de la tabla periódica y llevó a cabo una simple deducción. Sus conclusiones se publicaron en el capítulo ‘¡Sorpresa, sorpresa!’, del libro Luces en el cielo. En sus palabras: ‘Los informes […] parecen indicar que el elemento 114 (ekaplomo) es un líquido volátil. Bien, admito que el 112 (ekamercurio) y el 118 (ekaradón) son volátiles, pero niego que el ekaplomo también lo sea. El ekaplomo es un líquido, sí, pero no volátil. Si una cantidad suficiente del elemento se llegara a aislar mientras aún vivo para llegar a una demostración concluyente (cosa que lamentablemente dudo), me interesaría saber quién tiene razón, si el laboratorio Lawrence Berkeley o yo. Apuesto a que yo’.
Asimov murió en 1992, y los elementos 112, 114 y 118 (copernicio, flerovio y oganesón respectivamente) se fabricaron en 1996, 1998 y 2002. Solo se ha logrado sintetizar unos pocos átomos de cada uno. Los tres son inestables y sufren procesos de desintegración radiactiva extremadamente rápidos, por lo que no se conocen con certeza sus propiedades físicas. Los cálculos teóricos al respecto son algo contradictorios, y no parece claro aún cuáles son sus propiedades. ¿Apostamos?
¿Para qué?
‘¿Para qué sirve un recién nacido?’, se dice que respondió el físico inglés Michael Faraday (1791-1867) cuando le preguntaron sobre la utilidad del descubrimiento que realizó, en el siglo XIX, de que moviendo un imán sobre un alambre de cobre se generaba una corriente eléctrica. La misma pregunta aparece con frecuencia a lo largo de la historia de la ciencia.
¿Para qué querríamos fabricar nuevos elementos? ¿Para establecer un nuevo récord mundial, para fijar la prioridad de un país sobre otro en materia de tecnología nuclear, o simplemente para satisfacer la curiosidad humana? La historia del uranio puede darnos una clave. En 1789, nadie hubiese imaginado que el uranio serviría para producir cerca del 20% de la electricidad mundial en las centrales nucleares. De hecho, Marie Curie consiguió toneladas de minerales de uranio de unas minas de Bohemia, ya que el gobierno de Austria no sabía qué hacer con ese material. El uranio fue otro recién nacido.
ALGUNAS DEFINICIONES ÚTILES
- Compuesto químico. Sustancia formada por la combinación de dos o más elementos químicos diferentes. El dióxido de carbono (CO2) es un compuesto formado por un átomo de carbono y dos de oxígeno.
- Elemento químico. Forma de la materia compuesta por átomos con el mismo número atómico. Son elementos el oxígeno (O), el carbono (C), etcétera.
- Isótopos. Átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen el mismo número de protones, pero una cantidad diferente de neutrones.
- Neutrón. Partícula subatómica sin carga eléctrica y masa levemente mayor que la de un protón.
- Número atómico. Número de protones que contiene el núcleo de un átomo.
- Número másico. Suma del número de protones más el de neutrones que contiene el núcleo de un átomo.
- Peso atómico. Relación entre el promedio de las masas de los átomos de un elemento respecto de la doceava parte de la masa de un átomo de carbono 12 (unidad de masa atómica unificada).
- Protón. Partícula subatómica estable con carga eléctrica positiva de magnitud igual y signo contrario a la de un electrón. Existe en el núcleo de todos los átomos.
- Sustancia simple. La formada por átomos de un mismo elemento. Son sustancias simples el oxígeno (O2) y el ozono (O3).
Lecturas sugeridas
ALDERSEY-WILLIAMS H, 2015, La tabla periódica: la curiosa historia de los elementos, Ariel, Barcelona.
ASIMOV I, 1981, Luces en el cielo, Edhasa, Buenos Aires.
ASIMOV I, 1983, La búsqueda de los elementos, Plaza y Janés, Barcelona.
POLO PR, 2002, Mendeléiev: el profeta del orden químico, Nivola Libros-Ediciones SL, Madrid.
Doctor en química, Universidad Nacional de Rosario.
Investigador superior en el IQUIR, UNR-Conicet.
Profesor titular, UNR.
