Cómo la tabla periódica sobrevivió a una guerra para asegurar el futuro de la química

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El hafnio es un metal de transición que lleva el nombre latino de Copenhague (Hafnia), donde se descubrió el elemento. Crédito: Klaudia Kilman/Alamy

El hafnio no es un elemento particularmente notable. No es el sodio explosivo, el mercurio reluciente o el azufre apestoso. Es un metal grisáceo y se utiliza comúnmente como absorbente de neutrones en las barras de control de centrales nucleares y submarinos nucleares, y como aislante en chips de computadora. Pero el descubrimiento del hafnio, del que se informó en Nature hace un siglo esta semana1, fue de una importancia desproporcionada. El elemento fue identificado por dos científicos que trabajan en Copenhague: el físico holandés Dirk Coster y el químico húngaro Georg von Hevesy. El hallazgo aseguró no sólo el legado de la tabla periódica sino también el futuro de la química. El hafnio también llegó a representar una victoria ganada con esfuerzo contra aquellos decididos a socavar los descubrimientos basados ​​en evidencia.

La tabla periódica de elementos de Dmitri Mendeleev, creada en 1869, surgió de la constatación de que elementos químicos como el oxígeno y el hidrógeno comparten ciertas relaciones. La contribución de Mendeleev y la del químico alemán Julius Lothar Meyer, trabajando de forma independiente, proporcionaron un orden para los elementos, junto con criterios para clasificarlos en grupos ordenados. Sorprendentemente, tanto los esquemas de Mendeleev como los de Lothar Meyer se basaron en la estructura subatómica de los elementos, varias décadas antes del descubrimiento de los electrones y los protones.

Cuando Mendeleev ideó la forma aproximada de la tabla periódica, comenzó con 63 elementos conocidos. Para que la mesa funcionara, tuvo que dejar espacios donde se pudieran colocar elementos aún no descubiertos. Estos elementos pronto empezaron a aparecer. Por ejemplo, el galio, el «elemento 68» previsto, se identificó unos años más tarde, en 1875. En 1914, sólo quedaban siete lagunas.

En 1913 se produjo un gran avance, cuando Henry Moseley, un físico británico, demostró que los elementos podían ordenarse según su número atómico o su número de protones. El trabajo de Moseley proporcionó un "mapa de espacios" más preciso y un método para identificar elementos de los espectros producidos al exponer elementos candidatos a rayos X.

La batalla detrás de las últimas incorporaciones a la tabla periódica

Pero el descubrimiento (y el nombramiento) del elemento 72, el hafnio, no fue nada sencillo. El químico francés Georges Urbain propuso originalmente, en 1911, que el elemento 72 pertenecía a las tierras raras de la tabla periódica y lo llamó celcio. Pero alrededor de una década después, el físico danés Niels Bohr, que utilizó la teoría cuántica para desarrollar un modelo del átomo en el que los electrones orbitan alrededor del núcleo, predijo que el elemento 72 estaría entre los metales de transición y más cerca del circonio (elemento 40). Esto fue finalmente confirmado por Coster y von Hevesy, ambos trabajando en el laboratorio de Bohr en Copenhague, quienes buscaron el elemento en minerales de circonio2. El dúo llamó a su descubrimiento hafnio, en honor al nombre latino de Copenhague. Obtuvieron los espectros de rayos X en diciembre de 1922 y su artículo1 siguió en enero de 1923.

Pero esto estaba lejos de ser el final de la controversia, porque Urbain se negó obstinadamente a darse por vencido, a pesar de que ya le habían advertido que el material que llamó celtio no cumplía los criterios para el elemento 72. En 1914, Moseley y Urbain habían colaborado en un estudio de rayos X no publicado que no logró demostrar que el celtio era el elemento 72. Urbain explicó esto, diciendo que el método de rayos X simplemente no era lo suficientemente sensible3, una evaluación que el físico neozelandés Ernest Rutherford, escribiendo en Nature , de acuerdo con4. Urbain también sugirió que el equipo de Copenhague estaba tratando de atribuirse el mérito de su trabajo5; en su respuesta, Coster y von Hevesy se negaron a personalizar la disputa y argumentaron sobre la base de sus resultados6.

El debate continuó, con científicos de los Países Bajos, Alemania y Escandinavia del lado del equipo de Copenhague, mientras que los de Francia y el Reino Unido (que apoyaban un boicot a la ciencia alemana tras la Primera Guerra Mundial) adoptaron la posición contraria. . El hafnio fue aceptado por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada recién en 1930, unos años después de que terminara formalmente el boicot. En Francia, el celtio siguió ocupando el lugar del elemento 72 entre las tierras raras hasta principios de los años 19402.

Cien años después del descubrimiento del hafnio, la tabla periódica sigue siendo sólida y relevante, incluso en un momento en el que se puede acceder a una gran cantidad de datos sobre un elemento con solo hacer clic con el mouse. La tabla ofrece, de un vistazo, una referencia a cómo podría comportarse un elemento en una reacción química y pistas sobre su similitud con otros elementos de un grupo.

Hasta el momento, hay 118 elementos confirmados, con la adición de cuatro elementos sintéticos superpesados ​​en 2015. Pero seguramente llegará un momento en el que no habrá nuevos elementos que fabricar y la tabla periódica alcanzará sus límites. Hasta el momento no hay consenso sobre cuándo es probable que esto suceda o qué tamaño tendrá el último elemento, pero los químicos dicen que su número atómico podría superar los 170.

Cuando llegue ese momento, la tabla periódica seguirá siendo un mapa que guiará a los científicos a través de la inmensidad del espacio químico: todas las moléculas que se han formado alguna vez y todas las que aún están por descubrir, ya sea en la Tierra o en cualquier otro lugar del Universo. Es un tributo a los valores perdurables de la cooperación científica internacional y a la firmeza de los investigadores que un metal de transición anodino, descubierto hace 100 años tras uno de los mayores conflictos del mundo, haya convertido la tabla periódica en lo que es hoy.

Naturaleza613, 413 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-00083-4

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Reimpresiones y permisos

La batalla detrás de las últimas incorporaciones a la tabla periódica

Identificación de un elemento faltante

Sobre el elemento faltante del número atómico 72

Sobre el elemento del número atómico 72

Sobre el celcio y el hafnio

Sobre las líneas Celtium de Urbain

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