Un chimico scopre una vigorosa prova della creazione

Dal corrispondente di “Svegliatevi!” in Finlandia

Dmitrij Ivanovic Mendeleev

POCO più di 100 anni fa, il chimico russo Dmitrij Mendeleeva se ne stava seduto a meditare sull’interdipendenza degli elementi. In base alle sue ricerche, pervenne alla conclusione che c’erano ancora alcuni elementi ignoti. Era nel giusto? In tal caso, avrebbe questo indicato che tutta la materia era venuta all’esistenza mediante il cieco caso? O avrebbe dimostrato che la terra e l’intero universo erano stati progettati da un Creatore intelligente?

Entro il 1869, erano stati identificati 63 dei 103 elementi ora conosciuti. Mendeleev studiava le proprietà di questi elementi per trovare un certo ordine o schema. Dal peso atomico relativo assegnato a ciascuno, egli conosceva già il rapporto che c’è fra loro in base al peso. Inoltre aveva notato delle analogie fra coppie o nelle famiglie degli elementi. Molte di queste analogie sono note anche a noi nell’esperienza di ogni giorno. Per esempio, per ragioni dietetiche, alcuni usano come sale da tavola cloruro di potassio invece del cloruro di sodio. Il rame sostituisce bene l’oro o l’argento nelle monete o nei gioielli. Magnesio e calcio sono così simili che nella struttura minerale del calcare dolomitico può essere presente l’uno o l’altro. Mendeleev si chiedeva perché alcuni elementi sono così simili e altri così diversi.

Mendeleev riportò le caratteristiche di ciascun elemento su un cartoncino e cominciò ad appuntare i cartoncini al muro. Li sistemò e li risistemò, cercando di metterli in ordine in base al peso, tenendo conto nello stesso tempo delle loro varie caratteristiche. Emerse subito uno schema. Scoprì che se metteva in colonna i primi sette elementi (a eccezione dell’idrogeno, che è in una classe a sé) e poi elencava i successivi sette accanto ad essi, c’era una sorprendente somiglianza tra ciascuna coppia di elementi. Il sodio veniva a trovarsi accanto al litio, essendo questi due elementi chiamati metalli alcalini perché reagiscono con l’acqua formando forti alcali. Il cloro era accoppiato col fluoro, due gas detti alogeni per la loro notevole tendenza a formare sali. Questi furono i primi due “periodi” di quella che divenne la sua tabella periodica.

Continuando con una terza colonna, Mendeleev riscontrò che il potassio andava a disporsi accanto al sodio, quindi il calcio accanto al magnesio. Fino a questo punto, tutto andava bene. Ma di lì in poi le cose si complicavano. Dopo aver provato a ordinare in vari modi i suoi cartoncini, riscontrò di poter mettere tutti i seguenti elementi fino allo iodio in due lunghi periodi, di 17 elementi ciascuno. Dividendo i periodi brevi, come mostra la tabella, trovò due file in cima a ciascun periodo e tre file in fondo che corrispondevano esattamente a ben note famiglie di elementi chimici. Nel mezzo dei periodi lunghi trovò gli elementi metallici, inclusi quei metalli che meglio conosciamo nell’esperienza quotidiana.

Tuttavia, per giungere a questo bell’ordine, Mendeleev dovette lasciare parecchi posti vuoti, tre nel primo periodo lungo e uno nel secondo. Questi spazi vuoti non gli impedirono di pubblicare la sua tabella. Era così convinto che gli elementi erano stati creati secondo uno schema ordinato da annunciare coraggiosamente che elementi ancora sconosciuti sarebbero stati scoperti per occupare i posti vuoti. Con presuntuosa audacia arrivò al punto di descrivere le proprietà di questi elementi mancanti. Ne predisse il peso atomico, la densità e il tipo di combinazioni chimiche che avrebbero formato. Diede loro nomi provvisori, “ekaboro”, “ekalluminio” ed “ekasilicio”, in base alle caratteristiche delle famiglie cui si prevedeva appartenessero.

La sua fiducia nell’ordine della “natura” non fu malriposta. Molto prima di quanto chiunque potesse attendersi, gli elementi mancanti cominciarono a venir fuori. Il gallio (ekalluminio) fu scoperto in Francia nel 1876, lo scandio (ekaboro) in Svezia nel 1879, e, nel 1886, fu scoperto il germanio (ekasilicio) in Germania. Con sorpresa di tutti — tranne che di Mendeleev — le proprietà fisiche e il peso atomico di ciascun elemento corrispondevano quasi esattamente a ciò che egli aveva predetto. Tra parentesi, il germanio ha trovato un posto insostituibile nell’odierna produzioni di transistori.

Dopo queste scoperte, gli scienziati che dapprima avevano prestato poca attenzione alla tabella di Mendeleev lo acclamarono su scala internazionale come un genio scientifico. La sua tabella periodica divenne un ausilio indispensabile nella ricerca e nell’insegnamento della chimica, e si trova ancor oggi sulle pareti di ogni aula e laboratorio di chimica. Nessuno dubitava che gli altri elementi necessari per riempire i vuoti della tabella sarebbero alla fine saltati fuori.

Spazio per una famiglia imprevista

Successive scoperte erano destinate ad allargare la tabella di Mendeleev. Nel 1894 John Rayleigh e William Ramsay isolarono dall’azoto atmosferico un gas raro che chiamarono argo perché non si combinava con nessun altro elemento. Un anno dopo, Ramsay trovò un gas inerte ancor più raro in un minerale dell’uranio; si trattava dell’elio, che era stato visto nello spettro solare durante un’eclissi nel 1868, ma di cui allora non si conosceva l’esistenza sulla terra. Dove si potevano inserire questi elementi imprevisti nella tabella periodica?

Mendeleev si basò sulla congettura di Ramsay, che forse la tabella periodica non era completa. Propose di introdurre i due elementi come membri di una nuova famiglia, di gas inerti, in un gruppo prima dei metalli alcalini. Ma in questo modo si dovevano scoprire altri tre gas inerti per riempire la nuova fila della tabella. E com’era da attendersi, nel giro di soli tre anni nel laboratorio di Ramsay furono trovati tre altri gas presenti in piccola quantità nell’atmosfera: neo, cripto e xeno. Il loro peso atomico li fece inserire esattamente al posto giusto nella tabella periodica.

Prova della creazione?

Questo fatto è veramente una prova della creazione? Ebbene, se gli elementi fossero capitati insieme per caso, perché i loro pesi atomici non si sarebbero raggruppati intorno a un valore medio, forse alcuni leggeri e alcuni pesanti? E perché proprietà come densità, punto di fusione o reattività chimica non sarebbero variate casualmente da un elemento all’altro? Perché aspettarsi una correlazione fra l’uno e l’altro? Non c’era ragione di aspettarsi che gli elementi fossero raggruppati in famiglie con analogie ben delineate.

Ma la tabella di Mendeleev dimostrò che l’intera struttura della materia non è casuale. Il suo stesso ordine prova che la sua origine non avrebbe potuto essere accidentale. L’intricatissimo schema che si riscontra in questa basilare organizzazione della materia è un’evidenza di progetto.

Non convenite che questa è una vigorosa prova che esiste un Progettista intelligente, un Creatore saggio? O desiderate altre prove? Ne dovevano venire ancora altre alla luce. In effetti, l’aggiunta del gruppo dei gas inerti, che aveva allungato i periodi brevi portandoli a otto elementi e i periodi lunghi a 18, fu il fondamento su cui sarebbe stata perfezionata la futura teoria della struttura atomica.

Ulteriore prova

Ulteriori ricerche sperimentali permisero di osservare in modo più particolareggiato com’è all’interno l’atomo. Prima, J. J. Thomson mostrò che gli elettroni, a carica negativa, si potevano separare da atomi di ogni specie. Ernest Rutherford mostrò che la carica positiva dell’atomo era concentrata in una piccolissima particella, chiamata nucleo. Niels Bohr concepì l’atomo come il sistema solare, con numerosi elettroni in varie orbite attorno al nucleo centrale. Le cariche positive si presentavano in multipli di un’unità di carica. L’atomo dell’idrogeno aveva solo un’unità di carica; fu chiamata protone. Diversi elementi avevano in ciascun atomo un certo numero di protoni, e i protoni del nucleo erano neutralizzati da un ugual numero di elettroni in orbita.

Una rimarchevole scoperta di Henry Moseley permise di dire quanti protoni ed elettroni ci sono in ciascun tipo di atomo. Egli misurò l’energia dei raggi X emessi da vari elementi quando vengono eccitati gli elettroni più interni. Moseley scoprì che questa energia aumenta secondo uno schema matematicamente regolare da un elemento all’altro nell’ordine della tabella di Mendeleev. Dove c’era un posto vuoto, il salto di energia era doppio. Egli propose di dare un numero di serie a ciascun elemento, partendo dall’idrogeno, il numero 1, l’elio, il numero 2, e così via. Questo numero atomico è il numero dei protoni presenti nel nucleo, nonché il numero di elettroni, di ciascun tipo di atomo.

Questo numero si rivelò ancora più fondamentale del peso atomico per stabilire le proprietà di un elemento. Gli elementi messi in ordine secondo il numero atomico andavano a disporsi esattamente al loro posto nella tabella periodica senza eccezione! Mendeleev aveva ritenuto necessario mettere l’argo prima del potassio, sebbene il peso atomico dell’argo sia 40 e quello del potassio solo 39. Altri casi in cui egli aveva invertito l’ordine per ragioni chimiche furono riconfermati dall’ordine dei numeri atomici di Moseley, in ciascun caso. Tutte le irregolarità erano eliminate. Inoltre, l’esatta assegnazione di numeri atomici permise di dire positivamente quali elementi mancavano ancora e di accertare che non rimanessero altri posti vuoti. Da come vi sono stati inseriti i gas inerti non c’è posto per introdurre un’altra famiglia.

Nel 1925 fu stabilito in modo specifico che tutto l’elenco degli elementi dall’idrogeno all’uranio occupava esattamente 92 spazi della tabella periodica, con quattro spazi soltanto ancora vuoti. Due di questi, il N. 85 e il N. 87, si attendeva fossero radioattivi, come tutti gli altri elementi oltre il bismuto. Gli altri due, il N. 43 e il N. 61, furono cercati con diligenza fra i minerali di altri elementi rari, ma nonostante parecchi chimici pretendessero di averli scoperti, la loro esistenza non fu confermata.

Elettroni in strati

Bohr introdusse l’idea, e altri la perfezionarono, che le orbite elettroniche siano contenute in strati, ciascuno dei quali ha una certa capacità massima. Lo strato più interno, dove gli elettroni hanno le orbite più piccole che sia possibile, può contenere solo due elettroni. Nello strato successivo, con orbite alquanto più grandi, possono essere accolti fino a otto elettroni. Il terzo ne conterrà 18, il quarto 32. Questi numeri furono derivati da uno studio delle diverse forme possibili delle orbite, circolari ed ellittiche, secondo la teoria dei “quanti” di Bohr.

La misura in cui questi strati sono riempiti dipende dal numero di elettroni di qualsiasi dato atomo, cioè il suo numero atomico. Pertanto, nell’elio, che ha due elettroni, viene riempito lo strato più interno. Gli elementi dal litio al neo, col numero da 3 a 10, hanno progressivamente da uno a otto elettroni nel secondo strato. L’elemento successivo, il sodio, con 11 elettroni, ha un solo elettrone nel terzo strato, e così via.

Gli elettroni dello strato esterno controllano l’interazione dell’atomo con altri atomi; quindi il comportamento chimico di un elemento dipende da quanti elettroni occupano lo strato esterno. Ora possiamo capire perché litio e sodio sono nella stessa famiglia. Hanno ciascuno un solo elettrone nello strato esterno. Questo vale anche per gli altri metalli alcalini: potassio, rubidio e cesio. Nella famiglia degli alogeni, fluoro, cloro, bromo e iodio, ciascuno ha sette elettroni nello strato esterno.

Accade che in ciascuno dei gas inerti — neo, argo, cripto e xeno — ci sono otto elettroni nello strato esterno. Otto elettroni formano una configurazione di alta stabilità. Possiamo dire che tali atomi sono contenti di se stessi, e resistono a ogni offerta di dare o prendere elettroni. Per contrasto, l’elettrone libero del sodio o del potassio è facilmente perduto. Tali metalli reagiscono energicamente con quasi ogni sostanza, anche l’aria o l’acqua. All’altra estremità di un periodo, fluoro o cloro cercheranno di prendere un elettrone da un altro elemento, per avere il numero stabile di otto. Così anche questi elementi sono chimicamente attivi, ma per la ragione opposta.

Essendo il sodio un metallo attivo è piuttosto pericoloso da maneggiare, e il gas cloro elementare è velenosissimo. Ma spostate un solo elettrone dal sodio al cloro e vedete che differenza fa. Ora la carenza del cloro è soddisfatta, e ha uno strato completo di otto elettroni come il gas inerte argo. E al sodio resta un simile strato di otto elettroni, come il neo. Così nel cloruro di sodio (il comune sale da tavola) entrambi gli elementi sono del tutto innocui, per cui si possono mangiare senza pericolo.

Il neutrone completa il quadro

Ma mancavano ancora alcune cognizioni su una parte fondamentale dell’atomo. Guardando la tabella, il lettore noterà che tutti gli elementi, a eccezione dell’idrogeno, hanno un peso atomico che è almeno il doppio del numero atomico. Dato che il protone ha un peso di una sola unità, perché il carbonio, ad esempio, che ha solo sei protoni, ha un peso atomico di 12? Questo frammento del puzzle fu messo al suo posto quando nel 1932 fu scoperto il neutrone. Si tratta di una particella quasi dello stesso peso del protone, ma senza carica elettrica. Quindi, da quello che comprendiamo oggi, il carbonio ha sei protoni e sei neutroni nel nucleo, e, orbitanti attorno al nucleo, sei elettroni che compensano la carica dei protoni.

Molti elementi hanno isotopi, il cui nucleo contiene un diverso numero di neutroni. In una piccola percentuale di atomi del carbonio, per esempio, ci sono sette neutroni invece di sei. Questo non altera la carica, o la disposizione degli elettroni, ma influisce sul peso atomico. Questa variazione nel numero di elettroni è una delle ragioni per cui Mendeleev scoprì che in alcuni casi i pesi atomici non seguivano l’ordine.

La maggior parte del volume dell’atomo consiste di spazio vuoto, ma l’alta velocità degli elettroni orbitanti e il loro comportamento danno l’impressione di uno stato solido o fluido. I protoni, i neutroni e gli elettroni sono gli stessi in tutti gli atomi, indipendentemente dalla sostanza. Tutta la materia è fatta solo con questi tre materiali da costruzione. Che cosa rende dunque una sostanza diversa dall’altra? Semplicemente il numero dei protoni del nucleo e il numero e la disposizione degli elettroni negli strati che lo circondano. E pensate quanto è infinitamente piccolo tutto questo! Il diametro dell’atomo è solo di due o trecento milionesimi di centimetro circa!

Quindi la teoria atomica moderna ha meravigliosamente confermato la convinzione di Mendeleev che gli elementi erano stati creati secondo uno schema ordinato. Ha spiegato perché i pesi atomici pongono gli elementi molto vicini nelle famiglie giuste, e ha giustificato le eccezioni che egli ritenne necessario fare. Spiega le analogie chimiche nelle famiglie di elementi. Essi formano veramente un sistema bello e armonioso. Attribuiamo giustamente il merito a colui che scoprì il sistema. Quanto più dovremmo lodare Colui che ideò il sistema e fece gli elementi secondo uno schema così significativo!

Completata la tabella

Oggi tutti i posti vuoti della tabella di Mendeleev sono stati riempiti. Com’era previsto, si è scoperto che gli elementi N. 85 e 87 sono rappresentanti rari e transitori della serie dei prodotti radioattivi della disintegrazione dell’uranio. Gli elementi 43 e 61 sono stati creati artificialmente, mediante trasmutazione nucleare prodotta in un ciclotrone o in un reattore nucleare. Sono stati prodotti parecchi isotopi di ciascuno, ma si sono rivelati tutti radioattivi, e si sono disintegrati completamente in molto meno tempo di quello trascorso dalla formazione della terra. Per questo non sono mai stati trovati in “natura”.

Inoltre, la tabella periodica è stata estesa molto al di là del numero originale di 92 elementi con la creazione di elementi “transuranici”. Di nuovo, il reattore nucleare e il ciclotrone sono stati il mezzo mediante cui vi si è giunti. Naturalmente, tutti questi elementi sono radioattivi; e più sono pesanti, più sono instabili. Sono stati identificati tutti gli elementi fino al N. 103. Ma con una vita di minuti, la fuggevole esistenza dei più pesanti rende sempre più difficile catturarli e studiarli.

Trovato ogni elemento fino al N. 103, la tabella che Mendeleev si sforzò di comporre 100 anni fa è ora completa. Non si possono più trovare elementi fra quelli ora conosciuti. Se saranno scoperti nuovi elementi, sarà al di fuori della tabella. Alcuni scienziati russi e americani affermano di avere scoperto gli elementi 104 e 105, ma non sono stati confermati.

Creazione o cieco caso?

Si potrebbe dire molto di più sull’atomo, e la trattazione che abbiamo fatto è limitata. Ma non convenite che questo ordine e questa simmetria straordinari sono una vigorosa evidenza della creazione, la prova che c’è un magistrale Creatore il quale sa quello che fa? Chi poteva immaginare che tutta la complessa materia che ci circonda, sì, anche noi stessi, fossimo fatti con tre semplici materiali: neutroni, protoni ed elettroni? Tuttavia, guardate che enorme varietà. Osservatene la bellezza e l’armonia.

Non c’è dubbio che vi è ancora molto da imparare sulla materia, l’atomo e gli elementi. Nondimeno, anche questo breve sguardo alla disposizione fondamentale è sufficiente per mostrarci che quello che ora sappiamo costituisce una vigorosa prova dell’opera di un Progettista e Creatore intelligente. (Ebr. 3:4) No, non sarebbe mai potuto accadere per caso!

[Nota in calce]

[Prospetto a pagina 19]

DISPOSIZIONE DEGLI ELETTRONI IN STRATI

N. Elementi 1º 2º 3º 4º 5º 6º

1 idrogeno 1

2 elio 2

3 litio 2 1

4 berillio 2 2

5 boro 2 3

6 carbonio 2 4

7 azoto 2 5

8 ossigeno 2 6

9 fluoro 2 7

10 neo 2 8

11 sodio 2 8 1

12 magnesio 2 8 2

13 alluminio 2 8 3

14 silicio 2 8 4

15 fosforo 2 8 5

16 zolfo 2 8 6

17 cloro 2 8 7

18 argo 2 8 8

19 potassio 2 8 8 1

20 calcio 2 8 8 2

21 scandio 2 8 9 2

* * *

26 ferro 2 8 14 2

* * *

30 zinco 2 8 18 2

31 gallio 2 8 18 3

32 germanio 2 8 18 4

33 arsenico 2 8 18 5

34 selenio 2 8 18 6

35 bromo 2 8 18 7

36 cripto 2 8 18 8

37 rubidio 2 8 18 8 1

38 stronzio 2 8 18 8 2

* * *

53 iodio 2 8 18 18 7

54 xeno 2 8 18 18 8

55 cesio 2 8 18 18 8 1

56 bario 2 8 18 18 8 2

* * *

82 piombo 2 8 18 32 18 4

* * *

[Diagramma a pagina 21]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

TABELLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI DI MENDELEEV CON PESI ATOMICI APPROSSIMATI

2 10 18 36 54

elio neo argo cripto xeno

4 20.2 40 83.8 131.3

1 3 11 19 37 55

idrogeno litio sodio potassio rubidio cesio

1 7 23 39 85.5 133

4 12 20 38 56

berillio magnesio calcio stronzio bario

9 24.3 40 87.6 137.3

5 13 21 39 57-71b

boro alluminio scandio ittrio

10.8 27 45 89 139-175

22 40 72

titanio zirconio afnio

48 91.2 178.5

23 41 73

vanadio niobio tantalio

51 93 181

24 42 74

cromo molibdeno tungsteno

52 96 183.8

25 43 75

manganese tecnezio renio

55 99 186.2

26 44 76

ferro rutenio osmio

55.8 101 190.2

27 45 77

cobalto rodio iridio

59 103 192.2

28 46 78

nichel palladio platino

58.7 106.4 195

29 47 79

rame argento oro

63.5 107.9 197

30 48 80

zinco cadmio mercurio

65.4 112.4 200.6

31 49 81

gallio indio tallio

69.7 114.8 204.4

6 14 32 50 82

carbonio silicio germanio stagno piombo

12 28 72.6 118.7 207.2

7 15 33 51 83

azoto fosforo arsenico antimonio bismuto

14 31 75 121.8 209

8 16 34 52

ossigeno zolfo selenio tellurio c

16 32 79 127.6

9 17 35 53

fluoro cloro bromo iodio

19 35.5 80 127

Questa tabella è simile a quella originale pubblicata da Mendeleev nel 1869, ma include le revisioni che egli fece nel 1871. Nelle versioni più recenti di questa tabella, i periodi sono disposti di solito secondo linee orizzontali e i gruppi o famiglie in colonne verticali. Molti pesi atomici qui indicati sono più accurati di quelli conosciuti al tempo di Mendeleev. Gli elementi scoperti dal 1871 e i numeri atomici, assegnati dal 1913, sono indicati in colore.

[Note in calce]