Construir la paz en la mente de los hombres y de las mujeres

Nuestra selección

Dmitri Mendeleev y la ley periódica de los elementos

Algunas de las sustancias básicas naturales, que denominamos elementos, se conocen desde la más remota antigüedad. Pero sólo en el siglo pasado llegó a saberse que existen un centenar de elementos y a comprenderse en qué se asemejan o difieren entre sí.

Guenrij Teterin y Claire Terlon 

Anteriormente, la obra de Copérnico y de Galileo había puesto orden en el caos de la astronomía. Newton había hecho lo mismo con la mecánica y Darwin y Pavlov con la biología. Mucho después Bohr y Einstein efectuaron aportaciones fundamentales a la física del átomo. En cuanto a la química, uno de sus grandes momentos fue el año de 1869, en que el investigador ruso Dmitri Ivanovich Mendeleyev formuló la ley periódica de los elementos químicos.

La formulación de la ley periódica supuso para la química el paso de una disciplina que aplicaba métodos casi medievales de tanteo a una ciencia moderna capaz de predecir elementos nunca vistos, oídos, tocados ni olidos por el hombre. La ordenación coherente de los elementos por Mendeleev coronó los esfuerzos realizados por los hombres de ciencia de muchos países para descubrir el sistema que rige las propiedades de estas sustancias básicas.

La idea de Mendeleev supuso virtualmente un salto cuántico con respecto a la sencilla tabla esbozada en el siglo XVIII por el químico francés Antoine Lavoisier, que incluía, junto a los elementos físicos, lo que él denominaba "fluidos imponderables" como la luz y la energía procedente del calor.

Aunque lejos aún del enfoque rigurosamente lógico de Mendeleev, el esfuerzo de Lavoisier estableció las condiciones para que otros científicos rechazaran la teoría del flogisto. Se trataba del antiguo concepto químico, aparecido en los comienzos de la civilización griega, de que el fuego en sus diversas formas era un componente físico o material de la naturaleza.

El análisis de Lavoisier fue perfeccionado hacia 1803 por el químico inglés John Dalton, cuya teoría atómica atribuía un "peso" atómico característico a cada uno de los 23 elementos admitidos por Lavoisier. Descubrimientos como éste, junto con el concepto de "peso equivalente" formulado por otro inglés, William Wollaston, abrieron el camino que permitió a los químicos posteriores percibir un orden coherente entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza. Pero, hasta Mendeleev, la noción misma de lo que constituye un elemento seguía siendo vaga y estando sujeta a interpretaciones personales.

Hacia 1850, se habían identificado otros treinta elementos, lo que elevaba el total de los conocidos a algo más de sesenta. Hombres de ciencia como Johann Döbereiner, Leopold Gmelin, E. Lennsen, Max von Pettenkofer, Jean-Baptiste Dumas, Willard Glbbes y John Gladstone, por citar sólo algunos, publicaron tablas de ordenación química.

En 1817, las "triadas" de Döbereiner constituyeron un intento de correlacionar grupos de tres elementos por la semejanza de sus pesos atómicos. En 1852, Gmelin transformó las triadas en series de cuatro y cinco elementos (tetradas y péntadas) clasificándolos según sus pesos atómicos, en orden ascendente.

Entre los investigadores que Dmitri Mendeleev menciona como |os que más influyeron en su labor se cuentan los científicos franceses Dumas y Lennsen. La aportación de Dumas fue un método para calcular el peso atómico de los elementos de un grupo dado, y la de Lennsen una primera tentativa de interpolar los pesos atómicos de elementos aún no descubiertos.

Durante el decenio que sigue a 1860 aparecieron nuevas formas de clasificación de los elementos. Una de ellas fue el "tornillo telúrico" de Alexandre Beguyer de Chancourtois, ordenación en espiral alrededor de un cilindro Imaginario. Sorprende al lector de hoy este curioso paralelismo con la "doble hélice" de la moderna química genética. Según otra opinión sostenida en la misma época por el inglés John Newlands, cada ocho elementos en orden ascendente de pesos atómicos se repiten ciertas características. Esta manera de ver recibió el nombre de teoría de las octavas, por analogía con la escala diatónica de las formas musicales de Occidente.

Probablemente la más sugestiva de las nuevas ¡deas fue la expuesta por el científico alemán Lothar Meyer. En 1864, Meyer publicó una tabla que recogía 44 de los 62 elementos conocidos ordenados según su "valencia" y no según su peso atómico.

En acepción no lejana de la actual, por valencia se entendía la capacidad de combinación de un átomo de un elemento. En el agua, o H20, la valencia del oxígeno es dos porque uno de sus átomos puede unirse con otros dos (en este caso dos átomos de hidrógeno). Y la valencia del hidrógeno constituía el punto de partida de la primera tabla de Meyer. Una tabla posterior propuesta por el mismo científico se basaba en los pesos atómicos.

Estos esfuerzos y los de otros tres científicos, William Odling, Gustavus Hinrichs y H. Baumhauer, constituían pasos en la verdadera dirección, aunque pocas personas cultivadas pensaran entonces que se trataba de algo más que de ejercicios mentales. Algunos químicos consideraban que la correlación de propiedades de los elementos agrupados en triadas, octavas o a lo largo de la espiral telúrica era fortuita y, por lo tanto, poco más que una analogía superficial. Incluso cuando Newlands presentó una comunicación a la prestigiosa Chemical Society británica, se le preguntó, Irónicamente, si no se obtendrían los mismos resultados disponiendo los elementos en orden alfabético.

¿Qué aportó, en definitiva, la teoría de Mendeleev? En pocas palabras, éste propuso disponer los elementos en líneas y columnas (también denominados "períodos" y "grupos") dentro de un rectángulo, con sus pesos atómicos en orden ascendente de Izquierda a derecha dentro de la misma línea hasta bajar a la segunda y así sucesivamente.

Las columnas se determinaron en función de los elementos que poseían propiedades análogas, por ejemplo, el mismo tipo de óxido. El número mínimo de átomos de un elementos (R) que se combinan con el número mínimo de átomos de oxígeno (O) aparecía en la primera columna y la proporción en que se combinaban aumentaba hacia la séptima columna. Como sólo se conocían entonces unos 60 elementos, bastaban ocho columnas, que siguen siendo suficientes. En efecto, la disposición de todo el sistema actualmente en uso fue establecida por Mendeleev cuando sólo se conocían poco más de la mitad de sus componentes.

Mendeleev supo desde el principio que había elaborado un procedimiento científico para situar los elementos químicos en un sistema conveniente. Aún más, se dio cuenta de que había descubierto una ley objetiva, natural. Sin embargo, del mismo modo que, según opinión popular, Newton concibió la gravitación universal al caerle en la cabeza una manzana (o que Watt percibió que una cazuela podría transformarse en la máquina de vapor), aún hay quien piensa que Mendeleev llegó a la formulación de la ley periódica... como resultado de un sueño.

Suele pasarse por alto que, aunque la verdad científica irrumpe a veces en la mente humana como un relámpago, el mismo científico puede haber consagrado varios años de dura investigación a ese tema. Como dijo Pasteur algún tiempo, después, "el azar sólo favorece a la mente preparada". Si examinamos las actividades de Mendeleev antes de 1869, resulta claro que el descubrimiento de la tabla periódica no fue un mero accidente.

Aunque la tabla de Mendeleev fue considerada por algunos científicos como una más de una serie infinita de hipótesis dudosas, uno de sus grandes méritos fue indudablemente su audacia. Los progresos de la química durante el pasado siglo demuestran que la teoría de Mendeleev era correcta en otros dos puntos. Su autor anunció que se descubrirían nuevos elementos para llenar los vacíos del sistema por él ideado y que los pesos atómicos de algunos elementos que no se ajustaban a su tabla se habían calculado erróneamente.

En el último caso (con respecto a los pesos atómicos de los elementos cerio, indio, titanio, uranio, itrio y otros) se demostró pronto que Mendeleev tenía razón, en cuanto nuevas investigaciones permitieron rectificar los pesos incorrectos. Cuando el peso de los elementos no parecía convenir (como el uranio con el peso atómico 116), el científico ruso formuló una conjetura sobre el valor verdadero. Por ejemplo, dobló arbitrariamente el peso del uranio elevándolo a 232; hoy sabemos que el peso real de ese elemento es 238,04.

En el caso, más importante, de las lagunas en la tabla periódica, Mendeleev pudo ver identificados y descritos tres nuevos elementos en los dieciseis años que siguieron a su histórica comunicación a la asamblea de los químicos rusos. Entre los elementos por él previstos figuran los que primero se denominaron ekaaluminio, eka-boro y eka-silicío ("eka" significa "uno" en sánscrito) y que luego recibieron un nuevo nombre en honor de los países donde fueron descubiertos.

El eka-aluminio, identificado científicamente en 1875 por el francés PaulEmlle Lecoq de Boisbaudran, se denominó galio (peso atómico 69,72). El galio llenó el "hueco" de la tabla entre el aluminio y el indio.

El eka-boro, que Mendeleev había predicho tendría un peso atómico comprendido entre el del calcio y el del titanio (40 y 48), fue descubierto en 1879, recibiendo el nombre de escandio en honor de Suecia, patria de su descubridor Lars Frederick Nilson. El peso atómico definitivo de este elemento (44,956) no se determinó hasta 1955.

El tercer elemento, el llamado ekasilício, recibió el nombre de germanio cuando se descubrió en 1886. Con un peso atómico de 72,59 y propiedades análogas a las predichas por Mendeleyev, el germanio fue identificado por Clemens Alexander Winkler, profesor de química en la Escuela de Minas de Friburgo, Alemania.

Además de ser un excelente teórico, Mendeleev demostró ser un hombre práctico. Antes de morir en 1907, emprendió investigaciones químicas en los campos petrolíferos de Bakú, Rusia, y de Pensilvanla, EUA, así como en los manantiales caucasianos de nafta, una mezcla de hidrocarburos análoga a la parafina. (Los hidrocarburos son componentes químicos formados únicamente de carbón e hidrógeno.) Mucho después de que Mendeleev muriera de pulmonía en 1907, se identificaron otros dos elementos químicos cuya existencia él predijo.

En 1925, los esposos alemanes Walter e Ida Noddack aislaron el renio, al que Mendeleev había denominado bimanganeso. El renio, metal -duro y gris a menudo usado en pares termoeléctricos, tiene un peso atómico de 186,20.

Mas tarde, a los setenta años del descubrimiento de Mendeleev, la investigadora francesa profesora Marguerite Perey identificó el ekaceslo (llamado desde entonces francio) en el Instituto del Radio de París. El número atómico del francio es 87.

El descubrimiento de la ley periódica trajo consigo uno de los descubrimientos científicos más sensacionales de fines del siglo XIX: el del gas "Inerte" argón. Su hallazgo se debió tanto a Sir William Ramsay como a Lord Rayleigh. El primero sugirió a Rayleigh en 1894, después de una cuidadosa experimentación, que "...había sitio para elementos gaseosos al final de la primera columna de la tabla periódica". Los dos químicos anunciaron posteriormente el nuevo gas en una reunión celebrada en Oxford. Hoy día sabemos que el argón y demás gases similares no son inertessino que pueden combinarse con otros elementos.

Si Mendeleev no previo la existencia de los gases inertes, fue simplemente por su "cualidad" predominante de inactividad. Dos años después (1896), Ramsay en Inglaterra y el químico sueco Per Theodor Cleve, trabajando independientemente, descubrieron el helio. Durante varios años se había observado la actividad del helio (del nombre griego del sol) mediante el espectroscopio, como uno de los componentes de la atmósfera solar.

Basándose en el razonamiento de Mendeleev, Ramsay estaba convencido de la existencia de otros gases similares. En 1898, él y Morris Travers identificaron otros tres gases "inertes" néon, xenón y criptón. Esta familia de elementos constituyó la columna "0" de la tabla periódica.

En el mismo año de 1898, Pierre Curie y su esposa polaca María Sklodowska descubrieron el fenómeno de la radiactividad, que socavaba una de las bases mismas de la ley de Mendeleyev: la invariabilidad del átomo. A pesar de ello, Mendeleev no vio ninguna contradicción entre su ley y la existencia de elementos radiactivos cuando visitó el laboratorio parisiense de los Curie en 1902.

Sin embargo, diez años después y cuando ya había muerto Mendeleev, el número de elementos radiactivos ascendía ya a 37 y los científicos comenzaban a dudar de la adaptabilidad del sistema periódico, preguntándose si la ordenación de Mendeleev podía ser válida al no haber, como parecía, espacio en la tabla para los elementos recién descubiertos.

En 1913, en vísperas del estallido de la primera guerra mundial, se impuso claramente la necesidad de introducir otra modificación en la relación entre la estructura de un elemento y su posición en el sistema periódico. Henry Moseley, físico Inglés de 25 años, que había analizado el espectro radiográfico de 51 elementos, observó que existía una relación entre el número atómico de un elemento y la frecuencia de los rayos X que emite al ser bombardeado con rayos catódicos. (El número atómico de un elemento indica el número de electrones que giran alrededor del núcleo de uno de sus átomos.)

Como consecuencia de la obra de este joven y brillante científico (que murió en acto de servicio en los Dardanelos en 1915), otros siete vacíos de la tabla periódica iban a recibir nuevos ocupantes. Aparte del renio y

del francio ya citados, estos nuevos elementos eran el tecnecio, el promecio, el hafnio, el astato y el protactinio. El descubrimiento de estos nuevos elementos, encontrados gracias a una técnica que no pudo conocer Mendeleev, en modo alguno trastornó la disposición original de los elementos en su tabla.

Poco después del descubrimiento de Moseley, otro inglés, Frederick Soddy, introdujo la noción de "Isótopo" (del griego "igual lugar"). Todos los isótopos de un elemento poseen las mismas propiedades químicas. Las propiedades físicas son también idénticas, con la excepción del peso o "masa" del átomo. La mayor parte de la masa está situada en el núcleo del átomo, que consta del protón provisto de una carga eléctrica positiva y del neutrón eléctricamente neutro. (La "nube" de electrones planetarios con carga positiva consta de partículas, cada una de las cuales tiene una masa de 1/1836 aproximadamente con respecto a la del protón.)

El mismo año 1913, al propio tiempo, que el químico polaco Kasimir Fajans, Soddy demostró que, cuando un elemento se desintegra por radiactividad, la nueva posición que ocupa en la tabla periódica depende del tipo de radiación que emite. La desintegración alfa (por pérdida de partículas alfa) desplaza al elemento dos lugares hacia la izquierda de la tabla, mientras que la desintegración beta, o emisión de electrones, desplaza al elemento un lugar hacia la derecha.

El cierto que había algunas anomalías en el método de ordenar los elementos propuesto inicialmente por Mendeleev. En un corto número de casos hubo que colocar elementos que eran ligeramente más pesados que otros, delante de éstos. El teluro (127,6) fue ubicado antes que el yodo (126,9), el cobalto (58,9) antes que el níquel (58,7) y el torio (232,0) antes que el protactinio (231,0).

Una vez adoptado como patrón el número atómico, se observó que si los elementos se clasificaban por sus cargas eléctricas nucleares, sus posiciones en la tabla periódica coincidían con las predichas por Mendeleyev. Asi se construye el sistema periódico que, colgado en la pared del laboratorio, tan bien conocen hoy día los estudiantes de química.

Conozca más sobre Dmitri Mendeleev

Dmitri Mendeleev o las enseñanzas de un profetaEl Correo de la UNESCO, abril-junio 2019

La tabla de MendeleevEl Correo de la UNESCO, enero-marzo 2011

Mendeleev, vida de un sabioEl Correo de la UNESCO, junio 1971

CLAIRE TERLON

Catedrática en Ciencias Físicas y Licenciada en Psicología, realiza programas de televisión para el reciclaje permanente de profesores de física y química de secundaria. Miembro del Consejo Directivo del Instituto Pedagógico Nacional de París, colabora habitualmente con una columna en la revista científica "La Recherche-Atomes"

GHENRIKH TETERINE

Jefe del Laboratorio Científico de la Universidad Estatal de Odessa, en Ucrania, donde ha efectuado diversos estudios en el ámbito de la física, la química y la electroquímica. Igualmente, ha trabajado en investigaciones en el Instituto Politecnico Rensselaer (Estados Unidos), dentro del programa de intercambios científicos entre la URSS y los Estados Unidos. También ha formado parte de la Division de Educación Científica de la UNESCO. Ha realizado varios escritos sobre física y química, y ha publicado numerosos artículos de divulgación científica.