Classificar i disciplinar: l’ordre dels elements químics

—La taula periòdica, un producte de la creativitat col·lectiva de les aules de ciències del segle XIX.—

El sistema periòdic és una de les icones més populars de la química contemporània. Es tracta d’una classificació dels elements que, a través de diverses representacions gràfiques, es fa servir com a eina didàctica en l’ensenyament de la química. No és una mera ordenació, ja que el sistema periòdic té també capacitat predictiva. Des de la segona meitat del segle XIX fins a l’actualitat, s’han produït innombrables descobriments de nous elements que han confirmat aquestes prediccions, encara que també és cert que hi ha hagut moltes més prediccions falses que no reeixides, des d’elements que havien de formar part de la corona solar, i mai no es van trobar, fins a substàncies amb propietats extraordinàries que revolucionarien suposadament la indústria química. Només es recorden aquelles prediccions, com les del gal·li, germani o escandi, que finalment es van confirmar d’una manera o una altra. Des de la seua creació a la segona meitat del segle XIX, una gran quantitat d’interpretacions s’han formulat sobre la taula periòdica, amb la finalitat d’explicar les causes de les regularitats i les possibilitats de predir nous elements. Al segle XX, aquestes interpretacions han permès alimentar discussions sobre la reducció de la química als principis de la física, en particular de la mecànica quàntica, l’eina interpretativa més habitual de la taula periòdica des dels treballs de Niels Bohr (1885-1962).

Dimitri Mendeléiev en un retrat de 1878. Wikipedia.

Atès el seu paper en l’ensenyament de la química, és habitual trobar relats sobre el seu descobriment en els manuals d’aquesta ciència. El nombre de protagonistes de la narració és variable, però un d’ells sol ocupar una posició central: Dmitri Ivànovitx Mendeléiev (1834-1907). En una de les versions més difoses, l’ordenació periòdica va ser producte d’un somni de Mendeléiev durant el qual se li va revelar sobtadament el nou ordre dels elements. Una altra narració popular afirma que el químic rus va arribar a elaborar aquesta classificació a través d’un joc de cartes, una mena de «solitari químic», on Mendeléiev va escriure els noms dels elements amb les seues propietats periòdiques. Les primeres versions de la taula periòdica de Mendeléiev es van presentar al març de 1869 en una de les sessions de la Societat Química Russa, la qual cosa ha originat la declaració de 2019  com a Any International de la Taula Periòdica dels Elements sota els auspicis de la UNESCO.

En realitat, no és possible situar un descobriment tan complex com el sistema periòdic en un punt particular de l’espai i del temps. Mendeléiev no va ser ni la primera persona ni l’única que va proposar classificacions d’aquest tipus. Hi va haver una gran quantitat de propostes semblants. Entre les més conegudes actualment figuren les que van realitzar Alexandre E. Beguyer de Chancourtois (1819-1866), John Newlands (1837-1898), William Odling (1829-1921), Gustavus Hinrichs (1836-1923), Julius Lothar Meyer (1830-1895). També hi va haver molt de professorat anònim (Mendeléiev era part d’aquest grup el 1869) que va fer propostes en aquesta direcció. En realitat, més que un descobriment múltiple, la taula periòdica va ser fruit d’una mena de creativitat col·lectiva pròpia de les aules de ciències.

Les classificacions de substàncies químiques tenen arrels ben profundes en els temps de l’alquímia. Durant el segle XVIII les taules d’afinitats representaven una manera d’abordar aquests problemes amb enorme potencial didàctic. Van fer un paper a les aules semblant al que tindrà un segle després la taula periòdica, alhora que també van servir per donar coherència i seqüenciar els continguts. Tot i això, els criteris de classificació, així com els materials classificats i els objectius perseguits, eren molt diferents. Les taules d’afinitats perseguien mostrar la interacció entre substàncies químiques amb la finalitat de predir el desenvolupament de les reaccions, no el descobriment de noves substàncies. Van ser introduïdes a principi del segle per Etienne-François Geoffroy i, després d’algunes dècades de relativa estabilitat, les taules van ser ampliades en les dècades de 1760 i 1770, de manera que, com la taula periòdica, van ser entitats en constant transformació per incorporar noves dades i productes químics. Es van fer tan populars que l’escriptor Goethe va escriure un relat d’amors encreuats amb el títol de Les afinitats electives (Die Wahlverwandtschaften) a principi del segle XIX. El relat es va publicar, paradoxalment, quan les taules d’afinitat havien deixat de formar part de la cultura visual de les aules de química. Progressivament van desaparèixer de la memòria col·lectiva de la comunitat acadèmica del segle XIX, sense deixar el menor rastre en els manuals de ciències del segle següent.

Taula d’afinitats o dels diferents rapports observats entre diferents substàncies d’Etienne-François Geoffroy (1718). Wikipedia.

Quan es comparen les taules d’afinitat amb les taules periòdiques, es pot comprovar que les classificacions científiques poden tenir fonaments molt diferents. A més, fins i tot dins d’un mateix criteri de classificació, hi ha sempre alternatives de seqüenciació en funció dels objectius perseguits. Es pot anhelar el descobriment de l’ordre natural de les coses per establir una classificació natural basada en diversos caràcters convenientment triats. O, més modestament, es pot triar una característica crucial (massa atòmica, valència, reactivitat amb l’oxigen, etc.) per establir una ordenació artificial. Una altra qüestió, encara més complexa, és la relació entre les classificacions naturals i artificials i la seqüenciació més adequada per als objectius pedagògics. Gran part del professorat de mitjan segle XIX va preferir triar classificacions híbrides, a cavall entre les naturals i les artificials, perquè els resultaven més adequades per a l’ensenyament de la química. Entre altres qüestions havien d’abordar l’increment exponencial del nombre de substàncies químiques, de diversos centenars a la fi del segle XVIII a diverses desenes de milers al segle XIX, que continuaran creixent al segle XX fins a arribar a milions. Al segle XXI, la xifra va camí dels dos-cents milions, cosa que planteja reptes enormes per a l’ensenyament  de la química i la regulació d’aquestes substàncies.

Els reptes del creixement exponencial de les substàncies químiques es van presentar de forma molt palpable a mitjan segle XIX, amb l’arribada de nous mètodes d’anàlisi mineral (com l’espectroscopi) i el desenvolupament de la síntesi orgànica. D’aquesta manera, el professorat d’aquells anys va haver d’abordar l’inevitable problema de la seqüenciació a l’hora de preparar les classes o d’escriure els seus manuals. A mitjan segle, sobretot a la dècada de 1860, diversos autors van combinar les dades sobre pesos atòmics amb les classificacions naturals per proposar ordenacions que seran la base de l’actual sistema periòdic. Aquesta situació va ser en part possible gràcies als acords parcials entorn dels pesos atòmics aconseguits en el congrés de Karlsruhe, una de les reunions més importants de ciència d’aquells anys. Així s’explica que els autors abans citats, inclòs Mendeléiev, realitzaren propostes de taules periòdiques basades en l’ordre creixent de pesos atòmics durant la dècada de 1860. En aquells anys, Mendeléiev formava part de la comunitat d’«il·lustres desconeguts» que impartien classes de química a tot Europa. Tot just havia iniciat la seua carrera com a professor a Sant Petersburg i preparava un manual de química inorgànica, que va proposar la seua primera versió de la taula periòdica. Pocs anys abans havia traduït al rus el popular manual d’Auguste Cahours (1813-1891), un professor francès que arreplegava els debats sobre les classificacions naturals i artificials dels anys anteriors, i oferia grups de famílies de substàncies semblants als de les taules periòdiques de les dècades de 1860 i 1870.

Una de les primeres versions de la taula periòdica de Mendeléiev (1869). Wikipedia.

Mendeléiev va realitzar moltes versions del seu sistema periòdic. En les primeres versions, els elements estaven ordenats segons grups de famílies naturals, semblants als que apareixen en altres manuals de l’època, i en un ordre creixent de pesos atòmics, segons les dades de què disposava en aquella data. Algunes dades eren dubtoses, perquè molts elements s’havien descobert de feia poc i no hi havia informació precisa ni sobre les seues propietats, ni sobres els seus pesos atòmics, la qual cosa es tradueix en molts interrogants que apareixen en les primeres taules de Mendeléiev. Si es vol comparar amb les actuals, cal girar-la 90 graus perquè les files de Mendeléiev es corresponguen al que actualment sol representar-se en columnes, és a dir, famílies d’elements amb propietats semblants. Perquè això siga possible, Mendeléiev va haver de deixar alguns buits a la taula que hi apareixen marcats amb un interrogant. Alguns d’aquests buits eren prediccions de nous elements que posteriorment es van confirmar amb la troballa del gal·li i el germani a la dècada de 1870.

Altres prediccions de Mendeléiev no van tenir la mateixa sort. Per exemple, algunes correccions de pesos atòmics, necessàries per mantenir la seua llei periòdica, com ara el pes del tel·luri, mai no van arribar a confirmar-se. Tampoc no es va confirmar mai la seua predicció d’un element denominat “coroni” que havia de formar part de la corona solar i tenir una massa atòmica menor a la de l’hidrogen. De fet, Mendeléiev va tenir moltes dificultats per encabir en les seues últimes taules periòdiques els nous elements trobats a la fi del segle XIX, per exemple els gasos nobles. Per acomodar els nous elements, molts autors de la darreria del segle XIX van reformular la taula periòdica de manera més decidida i van realitzar així noves prediccions amb més o menys èxit. Per exemple, Julius Thomsen (1826-1909), un professor danès, va presentar el 1895 un model de taula que va ser utilitzada posteriorment per Niels Bohr en els seus estudis de la primera mecànica quàntica. També va servir per fonamentar una teoria de l’evolució de la matèria i de l’origen de l’univers. Aquesta qüestió va interessar especialment José Muñoz del Castillo (1850-1926), un professor de Madrid que va realitzar diverses propostes noves de taules periòdiques, combinant suposicions arriscades sobre la gènesi dels elements amb nocions sobre l’evolució de l’univers procedents dels primers estudis d’astrofísica. Muñoz del Castillo també va deixar nombrosos buits a la seua taula i, a principi del segle XX, es vantava d’haver predit amb la seua taula el descobriment del radi.

Contra les imatges que el presenten como un profeta de l’ordre químic, o com un geni aficionat als solitaris, el repàs que s’acaba de fer mostra que Mendeléiev no va ser l’únic autor que va proposar classificacions periòdiques, com tampoc no van ser excepcionals les seues prediccions, amb més o menys èxit. Tampoc les seues taules no contenen tots els ingredients conceptuals del sistema periòdic. En realitat, moltes aportacions van ser realitzades els anys posteriors a la seua mort, tant des del punt de vista teòric (conceptes com ara “nombre atòmic” o “isòtop”) com experimental (especialment després del descobriment de la radioactivitat i els elements posteriors a l’urani). Potser la principal novetat va ser el concepte de nombre atòmic, formulat a principi del segle XX per Henry Moseley (1887-1915), poc abans de morir en la I Guerra Mundial. Posteriorment, els treballs de Niels Bohr i d’altres autors relacionats amb la mecànica quàntica van proporcionar noves maneres d’explicar l’estructura i les regularitats de la taula periòdica, que propiciaran al seu torn noves formes d’organització. La taula periòdica ha continuat construint-se i modificant-se amb noves propostes fins a l’actualitat, quan es coneixen ja 118 elements, potser que n’hi haja algun més quan es llegisquen aquestes línies, el doble dels que es coneixien en l’època de Mendeléiev.

Taula periòdica proposada per Theodor Benfey a la dècada de 1960, un exemple de les variades representacions d’aquesta icona de la ciència. Wikipedia.

En aquests avanços van tenir un paper destacat les dones, com s’assenyala en les publicacions recents ressenyades en la bibliografia. És àmpliament conegut que una de les principals investigadores relacionades amb l’estudi de la radioactivitat i el descobriment del radi va ser Marie Curie. Hi va haver moltes altres dones que es van embarcar en estudis relacionats amb la taula periòdica i els elements. Algunes van descobrir nous elements, com Marguerite Perey (1909-1975), que va investigar el franci, o Ida Tacke Noddack (1896-1978), codescobridora del reni juntament amb el seu marit Walter Noddack i el científic Otto Berg. La física austríaca Lise Meitner (1878-1968) juntament amb el químic Otto Hahn van descobrir a Berlín el protoactini, i van realitzar aportacions teòriques clau per entendre la fissió nuclear a la dècada de 1930. Moltes altres investigadores, a vegades amb poc reconeixement per la seua tasca, com en el cas de Meitner, van realitzar aportacions rellevants en el terreny teòric. Per exemple, el concepte d’“isòtop”, introduït pel químic britànic Frederick Soddy (1877-1956) el 1913, va rebre el seu nom gràcies a la proposta de la metgessa Margaret Todd (1859-1918) que va utilitzar arrels gregues per descriure les substàncies que ocupaven «el mateix lloc» en la taula periòdica. Per la seua part, Stefanie Horovitz (1877-1942), mentre treballava en l’Institut de Radi de Viena, va aportar proves experimentals de l’existència dels isòtops mitjançant les seues determinacions de les masses atòmiques de diverses mostres de plom.

Taula periòdica produïda per la Societat Europea de Química (EuChemS) per celebrar l’any 2019. Està inspirada en altres anteriors i tracta de recalcar l’escassesa creixent d’alguns elements clau. EuChemS.

El sistema periòdic és, per tant, producte d’una tasca col·lectiva, desenvolupada en un llarg període de temps i a llocs diversos, per una gran quantitat de persones, moltes de les quals a penes tenen presència en els relats més comuns. La revisió anterior confirma el paper creatiu de l’ensenyament, com s’ha vist ja en un altre apartat. Es tracta d’una creativitat col·lectiva en la qual concorren una gran quantitat de protagonistes, des del personal docent fins a l’alumnat, així com els equips a càrrec d’editorials i la gestió de les polítiques educatives. El sistema periòdic —igual que el seu avantpassat, les taules d’afinitats— té una presència més enllà del món acadèmic. És una font de formes visuals que circulen creativament a través de les fronteres lingüístiques i poden ser manejades en diversos contextos socials i culturals. Des del segle XIX hi ha hagut nombroses maneres de representar-lo en formes de taules dimensionals i models tridimensionals. Hi ha hagut controvèrsies, algunes de les quals encara hi són, sobre la millor manera de visualitzar-lo, així com sobre l’abast i les limitacions de cada representació. A vegades, han sorgit altres formes de representació dels elements (per exemple, respecte la seua major o menor abundància) que s’han inspirat en la taula periòdica per tractar de remarcar problemes poc visibles en les formes tradicionals. D’altra banda, més enllà dels límits de la comunitat científica, la taula periòdica s’ha transformat en un ingredient de la imatge popular de la química. A través de l’ensenyament secundari, gran part de la població s’ha familiaritzat amb alguna de les formes estandarditzades del sistema periòdic que també es poden trobar en museus de ciència i obres de divulgació. D’aquesta manera, la taula periòdica ha servit de font d’inspiració per a obres literàries (com la de Primo Levi), projectes artístics i fins i tot sèries de televisió (com Breaking Bad). En definitiva, quan es desprèn de la mitologia pròpia del relat cientificista, la història del sistema periòdic ofereix molts ingredients interessants per conèixer processos col·lectius de producció científica i la construcció de la imatge social de la ciència.

José Ramón Bertomeu Sánchez
IILP-UV

Com citar aquest article:
Bertomeu Sánchez, José Ramón. Classificar i disciplinar: l’ordre dels elements químics. Sabers en acció, 05-01-2021. https://sabersenaccio.iec.cat/classificar-i-disciplinar-lordre-dels-elements-quimics/.

Per a saber-ne més

Pots ampliar la informació amb la bibliografia i recursos disponibles.