Come la tavola periodica è sopravvissuta a una guerra per garantire il futuro della chimica

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L'afnio è un metallo di transizione che prende il nome dal nome latino di Copenhagen (Hafnia), dove l'elemento è stato scoperto.Credit: Klaudia Kilman/Alamy

L'afnio non è un elemento particolarmente notevole. Non è il tuo sodio esplosivo, il mercurio scintillante o lo zolfo puzzolente. È un metallo grigiastro ed è comunemente usato come assorbitore di neutroni nelle barre di controllo delle centrali nucleari e dei sottomarini nucleari e come isolante nei chip dei computer. Ma la scoperta dell'afnio, riportata su Nature questa settimana1 un secolo fa, è stata di importanza sproporzionata. L'elemento è stato identificato da due scienziati che lavoravano a Copenaghen: il fisico olandese Dirk Coster e il chimico ungherese Georg von Hevesy. La scoperta ha assicurato non solo l'eredità della tavola periodica ma anche il futuro della chimica. L’afnio finì anche per rappresentare una vittoria conquistata a fatica contro coloro che erano determinati a minare le scoperte basate sull’evidenza.

La tavola periodica degli elementi di Dmitri Mendeleev, creata nel 1869, è emersa dalla consapevolezza che elementi chimici come l'ossigeno e l'idrogeno condividono determinate relazioni. Il contributo di Mendeleev e quello del chimico tedesco Julius Lothar Meyer, lavorando in modo indipendente, fornirono un ordine per gli elementi, insieme a criteri per classificarli in gruppi netti. Sorprendentemente, sia gli schemi di Mendeleev che quelli di Lothar Meyer erano basati sulla struttura subatomica degli elementi, diversi decenni prima della scoperta di elettroni e protoni.

Quando Mendeleev concepì la forma approssimativa della tavola periodica, iniziò con 63 elementi conosciuti. Per far funzionare il tavolo, ha dovuto lasciare degli spazi dove potevano essere posizionati elementi non ancora scoperti. Questi elementi cominciarono presto ad emergere. Ad esempio, il predetto "elemento 68", il gallio, fu identificato pochi anni dopo, nel 1875. Nel 1914 rimanevano solo sette lacune.

Una svolta avvenne nel 1913, quando Henry Moseley, un fisico britannico, dimostrò che gli elementi potevano essere organizzati in base al loro numero atomico o al numero di protoni. Il lavoro di Moseley ha fornito sia una "mappa del gap" più accurata sia un metodo per identificare gli elementi dagli spettri prodotti esponendo gli elementi candidati ai raggi X.

La battaglia dietro le ultime aggiunte alla tavola periodica

Ma la scoperta (e la denominazione) dell’elemento 72, l’afnio, è stata tutt’altro che semplice. Il chimico francese Georges Urbain propose originariamente, nel 1911, che l'elemento 72 appartenesse tra gli elementi delle terre rare della tavola periodica e lo chiamò celtium. Ma circa un decennio dopo, il fisico danese Niels Bohr – che utilizzò la teoria quantistica per sviluppare un modello dell’atomo in cui gli elettroni orbitano attorno al nucleo – predisse che l’elemento 72 sarebbe stato tra i metalli di transizione e più vicino allo zirconio (elemento 40). Ciò è stato infine confermato da Coster e von Hevesy – entrambi che lavoravano presso il laboratorio di Bohr a Copenaghen – che hanno cercato l'elemento nei minerali di zirconio2. I due hanno chiamato la loro scoperta afnio, dal nome latino di Copenaghen. Ottennero gli spettri dei raggi X nel dicembre 1922 e il loro articolo seguì nel gennaio 1923.

Ma la controversia non era ancora finita, perché Urbain si rifiutava ostinatamente di arrendersi, anche se era già stato avvertito che il materiale da lui chiamato celtium non era conforme ai criteri dell'elemento 72. Nel 1914, Moseley e Urbain avevano collaborato su uno studio inedito a raggi X che non riuscì a dimostrare che il celtio fosse l'elemento 72. Urbain spiegò la cosa, dicendo che il metodo a raggi X semplicemente non era abbastanza sensibile3 - una valutazione che il fisico neozelandese Ernest Rutherford, scrivendo su Nature , d'accordo con4. Urbain ha anche suggerito che il team di Copenaghen stesse cercando di prendersi il merito del suo lavoro5; nella loro risposta, Coster e von Hevesy rifiutarono di personalizzare la controversia e argomentarono sulla base dei loro risultati6.

Il dibattito è continuato, con scienziati provenienti da Paesi Bassi, Germania e Scandinavia dalla parte del team di Copenaghen, mentre quelli di Francia e Regno Unito (che sostenevano il boicottaggio della scienza tedesca all’indomani della prima guerra mondiale) hanno preso la contro posizione. . L'afnio fu accettato dall'Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata solo nel 1930, pochi anni dopo la fine formale del boicottaggio. In Francia, il celtio continuò a occupare il posto dell'elemento 72 tra le terre rare fino all'inizio degli anni Quaranta2.