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Fisicoquímica 

El dilema de la tabla periódica

Al cumplir 150 años, el diagrama que agrupa los elementos químicos por sus similitudes se topa con dificultades para seguir creciendo

El acelerador de partículas del GSI, en Alemania, uno de los centros de investigación que procuran descubrir elementos superpesados

G. Otto/ GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research

En 1869, un profesor de la Universidad de San Petersburgo, el ruso Dmitri Mendeléyev (1834-1907), ideó un diagrama en el cual ordenaba alrededor de 60 elementos químicos, por ese entonces conocidos en función de su masa respectiva. Esa fue la primera versión de lo que luego se conocería como la tabla periódica moderna, actualmente compuesta por 118 elementos, ordenados en 18 grupos (columnas) y 7 períodos (líneas). En la actualidad, los elementos están organizados en forma creciente en función de su número atómico –la cantidad de protones en su núcleo– y aquellos que pertenecen a un mismo grupo presentan propiedades similares. En su sesquicentenario, esta herramienta aún resulta indispensable para explicar (y prever) las interacciones químicas e inferir las características de los elementos, tales como reactividad, densidad y disposición de los electrones en torno al núcleo atómico, donde además de los protones están los neutrones. “Hoy en día, la tabla periódica puede considerarse como la enciclopedia más concisa que existe. Aquel que sabe usarla encuentra mucha información en una única hoja de papel”, dice Carlos Alberto Filgueiras, químico e historiador de la ciencia de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG). “No existe nada igual en otra área del conocimiento”.

A partir de la década de 1940, no fueron las expediciones de campo lo que hicieron que la tabla periódica incrementara su tamaño, sino los experimentos llevados a cabo en aceleradores de partículas. Hace 80 años que la ciencia no descubre ningún nuevo elemento en la naturaleza; el último fue el francio (Fr), cuyo número atómico es 87, hace exactamente 80 años. Desde entonces, los casi 30 nuevos elementos que se agregaron a la tabla fueron producidos en primera instancia a partir de reacciones nucleares, aunque algunos, como en el caso del plutonio, también se detectaron en la naturaleza después de haber sido elaborados artificialmente en instalaciones de Europa, Estados Unidos y Asia. Brasil no integra el selecto club de países que disponen de equipos capaces de generar nuevos elementos. Las dificultades para fabricarlos –cada vez más pesados, o sea, con más protones en su núcleo atómico, y con vida media (decaimiento radioactivo) fugaz, de fracciones de segundo– conducen a algunos científicos a indagar hasta qué punto será posible expandir la tabla y admitir elementos con comportamiento distinto.

Uno de los científicos que se plantea esa cuestión es alguien muy particular. El físico nuclear Yuri Oganessian, de 85 años, del Instituto Unificado de Investigación Nuclear (JINR, según su sigla original en inglés), en Dubná, una localidad ubicada alrededor de 120 kilómetros de Moscú, es la segunda persona viva cuyo nombre fue utilizado como inspiración para designar a un elemento. En la versión actual de la tabla periódica, el elemento más pesado, que figura en su esquina inferior derecha, es el oganesón (Og), cuyo número atómico es 118. Hace sesenta años que este científico ruso se dedica a producir nuevos elementos superpesados, aquellos cuyo número atómico es superior a 92 que es el que le corresponde al uranio (U), los denominados transuránicos, y participó del descubrimiento de alrededor de una decena de elementos.

El oganesón fue producido a partir de tan solo un puñado de átomos en un experimento realizado en 2006 en el acelerador de partículas del Laboratorio Flerov del JINR. Este elemento se obtuvo por medio de colisiones en condiciones especiales, que promovieron la fusión de átomos del elemento 20 –el calcio– y del 98, el californio. En función de la mínima cantidad de átomos que se produjeron y de su promedio de vida demasiado breve, al día de hoy los científicos aún no han logrado determinar las propiedades químicas del oganesón. En el caso de que el mismo corresponda a lo que se espera por su posición en la tabla periódica (grupo 18), se trataría de un gas noble, como el helio, con baja reactividad. Con todo, por ahora es poco lo que se conoce sobre sus propiedades.

“¿Será cierto que el elemento 118 se asemeja a un gas noble? Con frecuencia, la respuesta para ello es negativa”, dijo Oganessian en el marco de un encuentro de científicos famosos para celebrar los 150 años del trabajo de Mendeléyev, organizado en París, en los últimos días del mes de enero, por la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (Unesco). “Creo que el elemento 118 probablemente formaría parte del 18º grupo de la tabla. En la transición del elemento 118 al 119, espero ver cambios, que posiblemente serán detectados, si bien en forma débil”. Sin embargo, ese optimismo no se extiende mucho más allá. “Estimo que, en los elementos 120, 121 ó 123, la diferencia entre los grupos será bastante menor o bien desaparecerá por completo”, dice Oganessian. “A partir de ese punto, ¿la tabla periódica debería cambiar?”

La pregunta del ruso indaga más allá. Si hasta ahora todo lo que se conoce de la química respeta las reglas de la tabla periódica, ¿qué razón hay para sospechar que su diagrama puede tornarse obsoleto en función de nuevos hallazgos? Ese fantasma que se cierne sobre la tabla tiene nombre y apellido: Albert Einstein y su teoría de la relatividad especial. Oganessian explica que, cuanto mayor es la masa de un núcleo atómico (donde se encuentran los protones con carga eléctrica positiva), mayor es la atracción que ejerce sobre los electrones, con carga negativa, ubicados en la primera capa formada por esas partículas que orbitan el núcleo. Esos electrones comienzan entonces a moverse más rápido y, en el caso de los núcleos de elementos superpesados se acercan bastante a la velocidad de la luz. Este escenario provoca que los electrones, que en condiciones normales presentan una masa 1.800 veces menor que la del protón, se tornen más pesados. De esa manera, acaban por alterar la masa final del átomo y ello desordena el esquema de las órbitas de los electrones, uno de los parámetros que explica la tabla periódica actual.

La producción de elementos superpesados que duran más tiempo constituye un desafío para la investigación en física nuclear

Incluso antes de que ese problema se detecte experimentalmente, algunos teóricos ya se están encargando de elaborar una tabla periódica relativista. En ella, la relatividad de Einstein también cobra un papel relevante en la descripción del átomo, anteriormente definido solamente por las fuerzas electromagnéticas y nucleares, que se explican a partir de la mecánica cuántica. No obstante, pocos científicos osan realizar afirmaciones categóricas sobre lo que podría detectarse en los aceleradores de partículas.

La simulación matemática de un núcleo atómico de un elemento superpesado, con más de 100 protones y casi 200 neutrones aún es una tarea imposible. No existe poder computacional disponible para eso, y el abordaje estadístico no resulta confiable para la descripción de ciertas propiedades. “Por lo tanto, necesitamos utilizar instrumentos matemáticos que permitan tratar un problema al menos en forma ‘no tan errada’, y la descripción que obtendremos evidentemente será una aproximación”, explica Alinka Lépine-Szily, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP).

Desde el año 2008, la física de la USP forma parte forma parte de la Comisión de Física Nuclear de la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (Iupap, en inglés). El grupo que arbitra las reivindicaciones de los hallazgos de nuevos elementos producidos en laboratorio, denominado Joint Working Party (JWP), lo eligen los directorios del Iupap y de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (Iupac). Los experimentos suelen generar evidencias indirectas de la existencia de un nuevo elemento superpesado, como es el caso de la emisión de radiación alfa, en lugar de un registro directo de la producción de átomos. Una vez que el JWP reconoce el descubrimiento, el proceso pasa a la órbita del Iupac, al que le cabe incluir al elemento en la versión oficial de la tabla periódica.

Vpro/ Wikimedia Commons El elemento más pesado de la tabla periódica fue denominado oganesón como tributo al físico ruso Yuri OganessianVpro/ Wikimedia Commons

La expansión de la tabla, por ahora en compás de espera, podría ser factible a partir del dominio de nuevas técnicas de fusión nuclear capaces de generar variantes (isótopos) de elementos superpesados que sean más estables. Todos los isótopos de un elemento presentan la misma cantidad de protones (por ende, tienen el mismo número atómico), pero difieren en el número de neutrones en su núcleo. En los elementos naturales leves, el número de protones es igual al de los neutrones. En los más pesados, hay más neutrones que protones, una tendencia que va en crecimiento conforme aumenta el peso del átomo. Para los superpesados, los cálculos teóricos contemplan la existencia de núcleos más estables, denominados “islas de estabilidad”. Esos elementos serían más duraderos que aquellos que han sido producidos hasta ahora en los aceleradores de partículas. “Algunos de esos isótopos podrían tener una vida media de horas o días, o bien, según los más optimistas, incluso de millones de años”, comenta Lépine-Szily. “El problema radica en que los experimentos que hoy son capaces de crear elementos superpesados, tal vez aún no logren agregar neutrones en cantidad suficiente como para llegar a la isla de estabilidad”.

Con todo, hay progresos relativos en ese sentido. A pesar de que el tiempo de decaimiento radioactivo decrece con el aumento de protones en el núcleo, parecería haberse observado un cambio de comportamiento en los últimos elementos agregados a la tabla periódica. En colaboración con los laboratorios nacionales estadounidenses de Oak Ridge y de Lawrence Livermore, el grupo de Oganessian creó isótopos superpesados de los elementos con número atómico 115, 116 y 117 con un tiempo de decaimiento radioactivo que se mantiene en torno a decenas de milisegundos. En el convenio con el Flerov, los estadounidenses proveen los objetos de metales radioactivos, tales como el berkelio (Bk), el elemento 97, que en el laboratorio ruso son bombardeados por haces intensos de átomos livianos de uno de los isótopos del calcio. El último elemento que se produjo a partir de este método fue el teneso (TS), en 2010, cuyo número atómico es el 117.

La cooperación ruso-estadounidense es la favorita en la pugna por la producción de elementos dentro de la “isla de estabilidad”, pero también hay laboratorios competitivos en Japón, como el Instituto Riken, y en Alemania, que cuenta con el GSI. Para mitad de año, Oganessian y sus colegas de Dubná dispondrán de un nuevo centro, la Fábrica de Elementos Superpesados, que costó 60 millones de dólares, para la prospección de elementos de ese tipo. Los nuevos aceleradores de partículas serán capaces de operar con haces de iones mucho más intensos. Este mismo año se realizarán dos experimentos de 50 días de duración.

Aunque la física nuclear no logre producir el oganesón con la misma facilidad con la que produce plutonio, hay mucho para investigar a partir una cantidad mínima de átomos de esos elementos superpesados. “La técnica disponible actualmente en los modelos de ordenamiento experimentales y el conocimiento acumulado acerca de las propiedades de los elementos permiten que se estudie la interacción particular de un único átomo o ión de elementos superpesados con varios otros elementos”, dice Jadambaa Khuyagbaatar, del grupo de química de elementos superpesados del GSI, en una entrevista que este realizó vía e-mail con Pesquisa FAPESP. “El campo de investigación en elementos pesados no se ocupa solamente de sintetizar nuevos elementos. También estudiamos las propiedades de muchos núcleos pesadoss y superpesados e intentamos hallar soluciones para problemas fundamentales de la ciencia”.

El patriarca del litio
José Bonifácio de Andrada e Silva encontró el mineral que se utilizó para extraer este elemento

Wikimedia Commons El mineralogista De Andrada e Silva identificó el mineral petalita (o castorita), que contiene litioWikimedia Commons

El tercer elemento más liviano de la tabla, el litio, fue identificado en un  mineral descrito por José Bonifácio de Andrada e Silva (1763-1838), a quien se los conoce como el Patriarca de la Independencia de Brasil por su intervención en el movimiento de 1822 junto a Pedro I. Famoso por su actividad política, este paulista de Santos también fue un respetado mineralogista. En 1800, publicó descripciones de la petalita y del espodumeno, dos minerales que descubrió en el marco de una expedición a la isla sueca de Utö. El litio en sí fue purificado por primera vez a partir de la petalita, en 1817, por el sueco Johan August Arfwedson, su “descubridor”.

“De Andrada e Silva fue el primer científico brasileño eminente a nivel internacional”, dice Carlos Alberto Filgueiras, químico e historiador de la UFMG. “Él vivió en Brasil hasta los 19 años, cuando partió hacia Portugal. Circuló por Europa hasta los 56 años y tuvo una carrera científica exitosa, con pasos por Alemania, Suecia, Dinamarca e Italia”. Falleció en 1838, tres décadas antes de la publicación de la tabla periódica. No obstante, le transmitió su pasión por la química a don Pedro II, de quien fue tutor entre 1831 y 1836.

Uno de los registros más antiguos que mencionó en Brasil a la tabla de Mendeléyev fue obra del propio emperador. “Se trataba de un pedazo de papel arrugado, sucio y rasgado escrito por don Pedro II, quien le puso fecha de 1879, solo 10 años después de la publicación de la tabla periódica”, relata Filgueiras, que estudió ese documento, que se conserva en la Fundación Maria Luisa e Oscar Americano, en São Paulo.

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