La cuchara menguante. 6) Completando la tabla... con un estallido

Cuando el grupo Olé Olé cambió de solista, allá por 1986, la presentó al público con el tema Lilí Marlén. Marta Sánchez, con su voz de mezzosoprano, arrancó el tema con la frase "Esa Luna en ruinas sabe qué pasó", y yo no puedo estar más de acuerdo con ella. El cosmos es testigo de que nuestro Sistema Solar fue inseminado por todos los elementos que tienen cabida en la tabla periódica, generados en el cataclismo de supernovas y estrellas de neutrones. Pero mucho antes de que los planetas hubieran comenzado a formarse, un buen número de esos elementos, inestables y de corta vida, habrían desaparecido. Miles de millones de años después, comenzaríamos la aventura para completar y dar sentido al tablero químico que los alberga.

Ordena el tablero atómico

con el eco espectral de sus disparos,

hasta el proyectil postrero.

En un laboratorio de la Universidad de Manchester que dirigía por Ernest Rutherford, el físico Henry Moseley se dispone a hacer su aportación a la evolución de la tabla periódica, y aquí el término "evolución" tiene un doble significado si tenemos en cuenta que el asistente de Moseley para los aspectos matemáticos fue Charles Galton Darwin, nieto del célebre naturalista. Para ello, literalmente, Moseley se lio a tiros para escuchar el lamento del átomo herido. Veamos en qué consiste. Al disparar hacia un átomo un electrón de alta energía, este es capaz de penetrar hasta las capas más profundas de aquel, arrancando uno de sus electrones (figura 1). Este estado es muy inestable por lo que un electrón de una capa superior intentará llenar el hueco cayendo a la capa inferior. Este electrón, a su vez, dejará otro hueco que ocupará otro electrón de una capa por encima. La caída de cada electrón a una capa inferior conlleva la emisión de rayos X con una longitud de onda característica para cada elemento, como representan los picos de la gráfica en la figura 2.

Figura 1

Figura 2

La longitud de onda de estos rayos X está íntimamente relacionada con el número de cargas positivas del núcleo (protones), que ejercen atracción sobre las cargas negativas de los electrones que los rodean. Este experimento supone un antes y un después en la tabla periódica. Hasta ese momento los elementos se ordenaban según su masa atómica, de los más ligeros a los más pesados, y esto traía problemas. Algunos elementos no parecían encajar en esta ordenación. Además, no había manera de saber si, por ejemplo, entre el boro (con masa 10,8) y el carbono (con masa 12,01) existía o no algún elemento desconocido con una masa intermedia. Sin embargo, al saber que el boro tiene 5 cargas positivas y el carbono tiene 6, sabemos con seguridad que no puede haber otro elemento entre ambos. Los elementos se ordenarían empleando un número entero que coincide con el número de cargas positivas del átomo: el número atómico.

Moseley ensayó todos los elementos hasta el oro (número atómico 79) e identificó cuatro elementos desconocidos con números atómicos 43, 61, 72 y 75. Si Mendeléev fue el primer osado en predecir elementos desconocidos, la ordenación por número atómico que posibilitó Moseley se conviertió en un auténtico acicate para lanzarse a la búsqueda. Paradójicamente, el hallazgo del último de estos cuatro elementos, el 61, pasó completamente desapercibido. La prensa no le prestó mucha atención porque, al fin y al cabo, ¿para qué servía el prometio? Por si fuera poco ninguneo, el propio equipo que lo identificó en 1945, no anunció su descubrimiento hasta 1947. Ni siquiera a los científicos les pareció especial ese día en el que, finalmente, se completaron los huecos de la tabla periódica. Estaban demasiado entregados a la ciencia nuclear del uranio y el plutonio.

El núcleo atómico aún desvelaría más sorpresas. Había que explicar cómo podían existir átomos con el mismo número atómico (que ocupaban la misma casilla en la tabla periódica) pero diferente masa atómica, que hoy conocemos como isótopos, y qué cambios se sucedían para producir los distintos tipos de radiactividad. La clave vino de un compañero gemelo del protón aunque más discreto: el neutrón, descubierto por James Chadwick en 1932, que proporcionaba masa sin aportar carga. Se hacía realidad la transmutación soñada por los alquimistas pues, por ejemplo, si un átomo emite radiación beta, un neutrón pasa a convertirse en protón, con lo que su número atómico aumenta en una unidad y se transforma en el elemento siguiente de la tabla.

El neutrón se convirtió en un proyectil privilegiado para la física nuclear, pues su ausencia de carga lo hacía inmune a la interacción electromagnética del átomo. El bombardeo de átomos con partículas como el neutrón permitió al matrimonio Joliot-Curie descubrir la radiactividad artificial en 1933, que permitía obtener un isótopo radiactivo partiendo de uno estable. También se exploró la posibilidad de que algunos átomos que absorbían neutrones se escindieran en núcleos más pequeños, liberando energía y más neutrones que permitían una reacción en cadena mediante el proceso de la fisión nuclear.

Sin embargo, la aplicación de la fisión nuclear para uso militar estaba muy lejos de ser una realidad. Tan lejos que en el proyecto Manhattan tuvieron que jugársela a la ruleta en su casino particular, que desarrollaron mediante el método Montecarlo. La enorme dificultad de predecir el comportamiento de billones de neutrones para lograr una reacción en cadena autosostenible, provocó que se plantearan un método de aproximación estadística. Así, las esposas de los científicos fueron reclutadas como "calculadoras" para ensayar un elevado número de cálculos que, partiendo de cifras al azar, permitiera alcanzar unos resultados cercanos a la solución idónea.

Los hongos nucleares de Hiroshima y Nagasaki son el trágico testimonio de lo bien que funcionó este sistema tan poco convencional, que se acerca a la respuesta mediante el cálculo a fuerza bruta. No es de extrañar que un método como el Montecarlo hiciera buenas migas con el desarrollo de los primeros ordenadores, como el ENIAC, pensados para realizar un elevado número de cálculos en poco tiempo. Esta fructífera relación facilitó enormemente la simulación de experimentos y el desarrollo de modelos predictivos en innumerables disciplinas científicas.

Finalizado el resumen, os propongo mis cuestiones para el debate:

• Henry Moseley murió en la batalla de Galípoli (1915) por el disparo de un francotirador turco. Como él, otros científicos han muerto a edades tempranas dejando aportes muy significativos en tan breve trayectoria (Carnot en termodinámica, Galois en matemáticas...). Partiendo de la hipótesis de que estos aportes pueden ser más probables en investigadores jóvenes, ¿debería ser esto un motivo añadido para estimular la regeneración en las plantillas de centros de investigación?

• Cada época ha tenido sus "temas candentes" que han dirigido el interés de los científicos, como lo hizo la Segunda Guerra Mundial para concentrar esfuerzos en física nuclear. ¿Pensáis que esto es siempre un estímulo para el avance científico, o puede tener doble filo por el abandono de otros campos que se desatienden y que podrían ser prometedores?

Y agradeciendo vuestra paciencia por leerme, tenéis la palabra.

La cuchara menguante. 3) Las Galápagos de la tabla periódica

Cuando pedí resumir el capítulo 3  (hace unos meses) solo conocía su título y nada de su contenido, así que me imaginé que tal vez trataba de alguna percepción importante que dio pie a la creación de la tabla periódica (como fue las Galápagos para Darwin)... pero no ha sido así XD.

Durante esos días también me preguntaba a qué se referiría el autor con el título del libro, “La cuchara menguante”, y no es hasta este capítulo que he descubierto a qué podría aludir.

Otra mención importante (va por ti Juan Carlos ;)) es la aparición ampliada de Mendeléev.

Pero antes del ruso nos habla de otro personaje muy importante en la historia de la tabla periódica: el químico alemán de mediados del siglo XIX Robert Bunsen (cuyo nombre heredó el mechero Bunsen, aunque nuestro protagonista no lo inventó, sólo mejoró su diseño y lo popularizó) .

En la década de 1850 Bunsen ocupó la cátedra de química en la Universidad de Heidelberg, donde se ganó la inmortalidad científica al inventar el espectroscopio.

El funcionamiento de este es el siguiente: al calentar un determinado elemento de la tabla periódica se produce unas bandas estrechas y bien definidas de luz de colores específicos que son únicos para cada elemento. El hidrógeno, por ejemplo, emite siempre una banda roja, una verde amarillento, una pequeña azul y una añil. Esto permitió investigar el interior de compuestos sin necesidad de fundirlos con calor o desintegrarlos con ácidos.

Espectro del hidrógeno

El primer espectroscopio de Bunsen consistía en un prisma en el interior de una caja de cigarros con dos oculares de telescopio incrustados. Y para excitar los elementos para que produjeran luz, Bunsen añadió una válvula a un primitivo mechero de gas para que las llamas fueran lo bastante caloríficas, mejorando así el mechero que llevaría su nombre.

Aunque Bunsen se oponía a clasificar los elementos de acuerdo con su espectro, al permitir una identificación fiable, otros científicos sí que lo utilizaron para desarrollar la tabla periódica.

Dimitri Mendeléev

Otra contribución de Bunsen fue la de formar, en Heidelberg, a varias de las personas que hicieron las primeras investigaciones sobre la tabla periódica. Y una de ellas fue el hombre que además de ser el aclamado como creador de la primera tabla periódica, hay quien le ha echado de menos en capítulos anteriores: el ruso Dmitri Mendeléev

Aunque se le atribuye a Mendeléev la invención de la tabla periódica, realmente otras seis personas también la idearon de forma independiente. Pero como la ciencia necesita de héroes, Mendeléev se convirtió en el protagonista de esta historia.

De estos seis rivales el más serio fue el químico alemán Julius Lothar Meyer (que también trabajó con Bunsen en Heidelberg). Meyer publicó su tabla prácticamente al mismo tiempo que Mendeléev, y ambos compartieron un prestigioso premio en 1882 denominado Medalla Davy por el codescubrimiento de la «ley periódica».

Pero si Mendeléev acabó siendo el héroe fue (además de por tener una biografía infernal) por:

1. Comprendió que ciertas características de los elementos persisten (aunque otras no lo hagan), como es el peso atómico de cada uno de los elementos que se mantiene constante aunque estén dentro de un compuesto (cosa que se acerca mucho a la perspectiva moderna).
2. Pudo colocar los sesenta y dos elementos conocidos en sus filas y columnas. En concreto los metales que son los elementos más ambiguos y enredosos a la hora de situarlos en la tabla periódica.
3. Y si bien tanto Mendeléev como Meyer dejaron espacios en blanco en su tabla en los que no encajaba ningún elemento conocido, Mendeléev tuvo el valor de predecir que se descubrirían nuevos elementos fijándose en las características de los elementos conocidos a lo largo de cada columna, incluyendo sus densidades y los pesos atómicos de los elementos ocultos.
4. Y algo que dice mucho del carácter de Mendeléev es que confeccionó su primera tabla periódica de forma apresurada, para cumplir con la fecha límite que le había impuesto el editor de un libro de texto.

Mendeléev tuvo una disputa científica muy relevante con el mejor espectroscopista del mundo en esa época: el francés Paul Émile François Lecoq de Boisbaudran. Lecoq fue el experimentador que descubrió físicamente el galio (que fue el primero de los nuevos elementos descubiertos desde la tabla de 1869), pero fue Mendeléev quien anteriormente lo había predicho (y que lo había llamado eka-aluminio). Cuando Mendeléev leyó el trabajo de Lecoq de Boisbaudran, intentó interponerse y reclamar el crédito por el galio. Pero Lecoq no estuvo de acuerdo y el francés y el ruso comenzaron a debatir la cuestión en las revistas científicas.

En uno de esos debates Mendeléev le comunicó a Lecoq que debía haber medido algo mal, porque la densidad y el peso del galio diferían de sus propias predicciones. Y tenía razón: el mundo científico quedó pasmado al constatar que Mendeléev, un teórico, había visto las propiedades de un nuevo elemento con mayor claridad que el químico que lo había descubierto.

Pero tampoco acertó en todas sus predicciones, como, por ejemplo, la de que había muchos elementos antes del hidrógeno. Por lo que si en vez de haberse corroborado en primer lugar la existencia del eka-aluminio, se hubiera demostrado como falsas otras de sus predicciones, sería probable que el ruso hubiera muerto en el olvido; pues este no tuvo mucho más mérito que Meyer (que tuvo también muy buen currículum científico) o los demás.

Entre la tabla periódica actual y la tabla de Mendeléev existe una diferencia que implica muchísimo trabajo, especialmente en lo que atañe a los lantánidos, que hoy se han relegado a la base de la tabla. Pues estos mantuvo a los químicos confusos hasta el siglo XX. Aunque los científicos detectaran docenas de bandas de color nuevas en el espectroscopio, no tenían ni idea de a cuántos nuevos elementos correspondían.

Cerca del lugar donde se descubrió el cerio, en Suecia, existe una mina de porcelana (y aquí el autor también aprovecha para narrarnos la historia de cómo se empezó a producir esta cerámica en Europa a principios del siglo XVIII, con un joven llamado Johann Friedrich Böttger como protagonista), en una aldea llamada Ytterby, que es extrañamente rica en lantánidos (además de serlo en feldespato, ingrediente esencial para fabricar porcelana). La razón de esta peculiaridad es que es necesario aflorarlos desde las profundidades de la Tierra, y Escandinavia (y en concreto Ytterby) tuvieron esta característica geológica (una línea de falla, fuentes hidrotermales y glaciales erosionadores).

El químico finlandés Johan Gadolin, a finales del siglo XVIII, tuvo noticias de esas rocas extrañas procedentes de Ytterby, y aunque carecía de las herramientas químicas (y la teoría) que le permitieran descubrir los catorce lantánidos, Gadolin realizó progresos significativos en el aislamiento de grupos de estos elementos. Y cuando, siendo Mendeléev ya viejo, otros químicos con mejores equipos se pusieron a revisar los trabajos de Gadolin sobre las rocas de Ytterby comenzaron a aparecer elementos nuevos (seis resultaron ser los lantánidos que le faltaban a Mendeléev).  Así que en homenaje al origen común de todos los elementos, los químicos comenzaron a inmortalizar el nombre de Ytterby en la tabla periódica. Sirvió de inspiración para iterbio, itrio, terbio y erbio. Adoptaron holmio, en honor a Estocolmo; tulio, por el nombre mítico de Escandinavia; y, por insistencia de Lecoq, el homónimo de Gadolin, gadolinio. Es aquí cuando el autor nombra a Ytterby la verdadera Galápagos de la tabla periódica.

Por cierto, el título del libro intuyo que está inspirado en la siguiente curiosidad explicada en este capítulo: “El galio se funde a 30 °C y, por esta razón, el galio ha sido desde entonces un habitual de las bromas entre los aficionados a la química. Como el galio se moldea fácilmente y su aspecto es parecido al del aluminio, un truco bastante popular consiste en darle forma de cucharillas, servirlas con el té y mirar divertidos cómo los invitados se quedan pasmados al ver que su Earl Grey se «come» sus cubiertos”.

Y para empezar el debate, si os apetece, os propongo comentar lo siguiente:

• Después de lo que nos cuenta el autor, ¿pensáis que Mendeléev fue un genio?

• Y qué pensáis de lo que comenta el autor en este párrafo: “El descubrimiento del eka-aluminio (nombre que le asignó Mendeléev), hoy conocido como galio, suscita la pregunta de qué es lo que realmente impulsa a la ciencia, si las teorías, que enmarcan la perspectiva que tenemos del mundo, o los experimentos, que aun siendo simples pueden echar por tierra toda una elegante teoría”.

¡Que tengáis una feliz semana!