Quanti elementi nella chimica, che diversità, quante combinazioni e quanti prodotti possibili. Quante leggi, quante formule…, chi si accosta alla chimica rimane stordito e disorientato dalla enorme varietà e diversità. Sembra di essere di fronte ad una grande torre di Babele e la gran maggioranza di chi vi si accosta, fa dietro-front. E’ però il caso di dire: “Se NON la conosci, la eviti…, ma se la conosci te ne innamori”!

Il principio unificatore, e la chiave di lettura della enorme varietà che esiste nella chimica è già presente nella Tavola periodica degli elementi di Mendeleev. A quei tempi, Dmitrij Ivanovich Mendeleev (1834-1907), chimico russo della seconda metà dell’800, aveva sentito parlare dell’unità forse solo dal contemporaneo Carlo Marx, e solo in senso socio-politico.

Sicuramente, nella sua ricerca delle analogie chimiche tra diversi elementi, non si era reso conto di essere sulle tracce dell’unità della chimica. Il suo scopo era semplicemente sistematico, solo per mettere un po’ di ordine in quella grande varietà di elementi e di composti.

Cominciò col costruire famiglie, non di uomini, ma…. di elementi chimici. Ad esempio si era accorto che la chimica del sodio, il suo modo di combinarsi con altri elementi era molto simile a come facevano il potassio, il litio, il rubidio e il cesio. Stesse analogie di comportamento trovava tra berillio, magnesio, calcio, stronzio e bario, oppure tra fluoro, cloro, bromo e  iodio.

Come avviene in molti campi, la conoscenza umana procede per analogie e differenze, unità e distinzione. In realtà, Mendeleev era intento ad una semplice classificazione degli elementi basandosi proprio sulle analogie e sulle differenze esistenti tra loro, e col suo lavoro costruì un insieme di famiglie di elementi dal comportamento chimico simile, che chiamò Gruppi.

Sistemò questi gruppi in colonne, e in ogni colonna di elementi i comportamenti e le proprietà erano simili, mentre se la tabella che risultava mettendo vicine le varie colonne veniva letta in orizzontale, le proprietà e la chimica degli elementi delle varie righe variavano di intensità e di proporzioni chimiche in maniera graduale, da un minimo ad un massimo, e poi su ricominciava daccapo nella riga di sotto. Per questo le righe vennero chiamate Periodi. La tavola risultante, composta di Gruppi (in verticale) ed in Periodi (in orizzontale fu chiamata Tavola Periodica.

Oggi la Tavola Periodica è ancora in fase di arricchimento, perché negli elettrosincrotroni (o acceleratori di particelle), gli urti tra atomi sviluppano energie tali (vicine a quelle delle stelle supernovae) da formare elementi nuovi che però, sorprendentemente, obbediscono ordinatamente al principio dei Gruppi e dei Periodi e quindi trovano, perfino oggi, il loro posto previsto da Mendeleev circa 150 anni fa.

Ma ai tempi di Mendeleev, anche molti elementi rintracciabili nella crosta terrestre non erano ancora noti. Eppure egli ne aveva previsto l’esistenza, in quanto apparivano come buchi vuoti nella sua Tavola. Man mano che i chimici li pescavano tra i vari composti chimici terrestri, essi venivano sistemati nel giusto posto rimasto vuoto nella Tavola fino alla loro scoperta.

In questa fase, con un processo scientifico basato su unità e distinzione, si giunse, nel ‘900, alla moderna Tavola Periodica degli elementi . Ma non si capiva ancora perché gli elementi si sistemassero naturalmente e spontaneamente in famiglie, Gruppi e Periodi, e si trovassero così bene “a casa propria” nella Tavola Periodica. In ultima analisi si poneva la domanda: perché esiste la Tavola Periodica?

Perché gli elementi non sono una distribuzione statistica e casuale di proprietà e di comportamenti chimici, come la grande varietà di apparenze (si pensi alla differenza tra l’ossigeno dell’aria e il ferro di una macchina, e il mercurio di un termometro) lascerebbero immaginare? Qual’è la legge, il principio su cui si fonda la periodicità degli elementi?

La risposta è arrivata più tardi, tra la fine dell’’800 e l’inizio del ‘900, da parte di fisici che studiavano la struttura dell’atomo: Niels Bohr, De Broglie, Heisenberg, Dirac… man manosi arrivò a teorie sulla struttura atomica in grado di soddisfare molte osservazioni sperimentali.

La cosa che mi ha sconvolto quando, diciassettenne, mi accostai a questi argomenti fu proprio questa: elementi tanto diversi tra loro come aspetto e stato fisico in realtà hanno tutti la stessa struttura, la struttura dell’atomo appunto, ma ciò che cambia è il numero di particelle che compongono gli atomi dei vari elementi. La diversità sta nel numero delle particelle subatomiche , non nella loro struttura, cioè il rapporto che esse hanno tra loro nell’atomo. Quindi unità di modello (l’atomo) e molteplicità di elementi risultanti (in base al numero dei componenti subatomici).

In fondo, anche questo modello non è complesso. Proviamo a descrivere in maniera semplice i rapporti che esistono tra le particelle subatomiche. Particelle positive, i protoni, stanno nel nucleo atomico, legate da quella forza che si sprigiona come energia nucleare quando il nucleo si disintegra. Distribuiti ordinatamente intorno al nucleo ci sono svariati scaffali divisi in box, ciascuno contenente una particelle negativa –  gli elettroni –  in un numero totale uguale al numero delle cariche positive nucleari.

Questi box (fatti di energia e non di legno) ”possono” contenere elettroni, ma non tutti li contengono effettivamente, perché i vari box ricevono un elettrone solo nel caso che nel nucleo ci sia il corrispettivo protone. Quindi questi box sono come degli scaffali vuoti che si riempiono man mano che il nucleo aumenta il suo numero di protoni. Per esempio, l’idrogeno, l’elemento più semplice, ha solo un protone come nucleo, e quindi ha solo un elettrone nel primo box del primo scaffale, mentre tutto il resto della scaffalatura è vuoto.

Quando Madre Natura, nella fucina nucleare delle stelle, ha aggiunto nel nucleo un altro protone e ha formato il secondo elemento, allora anche un secondo elettrone è entrato nel suo box specifico, in modo da non dare fastidio all’altra carica negativa  ed esserne respinto. Quanto alle due cariche positive del nucleo, per evitare che si possano respingere, la natura ha pensato di giocare a nascondino (v. Piero Pasolini).

Cioè, la carica positiva di un protone salta, per così dire, su una particella neutra, il neutrone, prima che l’altro protone possa toccarla. E così, il secondo protone trova il primo “scarico” e la repulsione non avviene. I due protoni  si “inseguono” sempre, ma siccome la loro carica salta velocemente su un neutrone, quando si incontrano almeno uno dei due è sempre scarico.

Naturalmente, se aumentano i protoni nel nucleo, ci devono essere dei neutroni che li aiutano a “convivere”, pena la disintegrazione del nucleo che , se ha neutroni insufficienti, diventa instabile e radioattivo. Il secondo elemento, l’elio, ha due protoni nel nucleo, ma anche due neutroni e, all’esterno, nei due box, i due elettroni. E così,  nella sua forma più elementare, il modello atomo è fatto.

Possiamo continuare a riempire allo stesso modo il nucleo di protoni e neutroni, ed i box esterni di elettroni, senza cambiare le regole (in realtà ci sono tanti altri dettagli e particolari, ma li lasciamo ai chimico-fisici ed ai chimici teorici), costruendo tutti gli elementi della Tavola Periodica.

Adesso forse si capisce che la Tavola Periodica altro non è che lo spaccato della scaffalatura dei vari box sistemati attorno ad un nucleo! I Periodi sono gli scaffali, i box sono i singoli posti, e le colonne di posti  formano i Gruppi. Ad ogni protone nucleare corrisponde un elettrone dentro un box di uno scaffale, per cui atomi più piccoli sono più vuoti, e quelli più grandi sono più pieni, e questo determina le varie diversità. Ma ogni atomo, come struttura è identico all’altro!

Si può concludere che la periodicità degli elementi è imposta dalla struttura dell’atomo, e che le famiglie individuate da Mendeleev esistono perché l’atomo è strutturato in scaffali e box. Lui non lo sapeva ancora, ma sistemando gli elementi ha seguito una traccia, quella della struttura atomica.

Struttura atomica che è il principio di unificazione di tutti gli elementi, ma anche della loro diversità nell’unità: unità di struttura e distinzione nel riempimento.

Unità e molteplicità impressa nella materia dal Divino Creatore Uno e Trino. Ma questa è un'altra storia.