La historia de la tabla periódica: de la alquimia al elemento 118

Los elementos antiguos y la alquimia

Diez de los elementos actuales se conocían mucho antes de que alguien usara la palabra elemento en su sentido moderno: oro, plata, cobre, hierro, estaño, plomo, mercurio, azufre, carbono y antimonio. Nadie sabe quién los descubrió primero. Los pensadores de la antigua Grecia, siguiendo a Empédocles y Aristóteles, creían en cambio que todo era una mezcla de cuatro elementos (tierra, agua, aire y fuego), una idea que duró casi dos mil años.

Los alquimistas del mundo islámico y de la Europa medieval intentaron convertir metales baratos en oro. Fracasaron, pero perfeccionaron métodos de laboratorio como la destilación. En 1661, Robert Boyle cuestionó la teoría de los cuatro elementos en El químico escéptico, e instó a los químicos a confiar en los experimentos, y en 1669 el alquimista Hennig Brand descubrió el fósforo mientras buscaba la piedra filosofal, uno de los primeros elementos con un descubridor documentado.

La lista de sustancias simples de Lavoisier (1789)

La química moderna tomó forma con el químico francés Antoine Lavoisier, quien demostró mediante pesadas cuidadosas que la masa no se pierde en las reacciones químicas y dio su nombre al oxígeno y al hidrógeno. En su Tratado elemental de química de 1789 definió un elemento en términos prácticos: una sustancia que ningún método químico conocido podía descomponer en algo más simple.

El libro enumeraba 33 de estas «sustancias simples», clasificadas en gases, no metales, metales y tierras. La mayoría eran verdaderos elementos, pero la luz y el calor también figuraban en la lista, y tierras como la cal y la sílice resultaron más tarde ser compuestos. Aun así, Lavoisier dio a los químicos una definición clara y comprobable de elemento y una primera lista sobre la que construir.

Dalton y el pesaje de los átomos

Hacia 1803, el maestro inglés John Dalton propuso que cada elemento está formado por su propia clase de átomos, con su propio peso. Los átomos eran demasiado pequeños para pesarlos, así que calculó pesos relativos a partir de las proporciones en que se combinan los elementos, tomando el hidrógeno como 1, y publicó una de las primeras tablas de pesos atómicos.

Muchas de las cifras de Dalton eran incorrectas porque tuvo que suponer las fórmulas; por ejemplo, asumió que el agua era HO y no H₂O. El químico sueco Jöns Jacob Berzelius midió los pesos atómicos con mucha mayor precisión e introdujo los símbolos de letras que aún se usan hoy, pero los desacuerdos duraron hasta el Congreso de Karlsruhe de 1860, donde Stanislao Cannizzaro mostró cómo obtener un conjunto coherente de pesos atómicos. Mendeléyev y Lothar Meyer estaban entre los asistentes.

Las tríadas de Döbereiner (1829)

Una de las primeras pistas claras de que el peso atómico y el comportamiento químico están relacionados vino del químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner. En 1829 describió las tríadas, grupos de tres elementos similares en los que el peso atómico del elemento central se acerca al promedio de los otros dos: calcio, estroncio y bario; cloro, bromo y yodo; y litio, sodio y potasio.

Las tríadas revelaron familias naturales de elementos, pero solo unos pocos elementos encajaban, y no había forma de conectar una tríada con la siguiente.

Una espiral y una octava (1862-1865)

En 1862, el geólogo francés Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois escribió los elementos en orden de peso atómico a lo largo de una espiral enrollada alrededor de un cilindro, de modo que los elementos similares quedaban alineados unos sobre otros. Su tornillo telúrico, llamado así por el telurio, fue una de las primeras ordenaciones en mostrar que las propiedades se repiten, pero se publicó sin su diagrama y pasó en gran medida inadvertido.

En 1865, el químico inglés John Newlands advirtió que, ordenados por peso atómico, cada octavo elemento parecía repetir las propiedades del primero, como las notas de una escala musical. Su ley de las octavas funcionaba con los elementos más ligeros, pero fallaba después del calcio, y en 1866 la Sociedad Química de Londres se negó a publicarla.

Mendeléyev y Lothar Meyer (1869-1870)

Dmitri Mendeléyev, profesor de química en San Petersburgo, estaba escribiendo un libro de texto cuando se puso a buscar el orden que había detrás de los elementos. A comienzos de 1869 ordenó los elementos entonces conocidos por su peso atómico en una cuadrícula que alineaba los elementos similares, y en marzo su trabajo fue presentado ante la Sociedad Química Rusa. Enunció una ley periódica: ordenados por peso atómico, los elementos muestran propiedades que se repiten a intervalos regulares.

Lo que distinguió a su tabla fue su audacia. Mendeléyev antepuso la química al orden estricto de los pesos, dejó huecos para elementos que creía aún sin descubrir y sostuvo que algunos pesos atómicos aceptados eran erróneos.

En Alemania, Lothar Meyer llegó de forma independiente a una tabla muy parecida y la publicó en 1870, junto con un gráfico que mostraba cómo el volumen atómico sube y baja en ondas a medida que aumenta el peso atómico. En 1882, la Royal Society de Londres concedió su Medalla Davy a ambos.

Predicciones confirmadas (1875-1886)

Mendeléyev describió con detalle tres elementos que faltaban, y los llamó eka-aluminio, eka-boro y eka-silicio, del sánscrito eka, que significa «uno», por un lugar más allá de un elemento conocido. Aparecieron como el galio, descubierto por Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, el escandio, descubierto por Lars Fredrik Nilson en 1879, y el germanio, descubierto por Clemens Winkler en 1886.

Las coincidencias fueron asombrosas. Para el eka-silicio, Mendeléyev había pronosticado un peso atómico de unos 72 y una densidad de unos 5,5 gramos por centímetro cúbico; los del germanio son 72,6 y 5,3. Los escépticos se dejaron convencer y la tabla periódica se convirtió en el mapa central de la química.

Los gases nobles encuentran su lugar (década de 1890)

En 1894, Lord Rayleigh y William Ramsay descubrieron el argón, un gas poco reactivo escondido en el aire común. En 1898, Ramsay también había aislado helio en la Tierra y, junto con Morris Travers, descubrió el neón, el criptón y el xenón; el radón llegó entre 1899 y 1900. Ninguno de estos gases encajaba en una columna existente.

La respuesta fue un grupo completamente nuevo entre los halógenos y los metales alcalinos, llamado al principio grupo 0 y hoy grupo 18. Encajaba perfectamente en el patrón periódico, y en 1904 Ramsay recibió el Premio Nobel de Química y Rayleigh el Premio Nobel de Física.

Moseley y el número atómico (1913)

Unos pocos pares de elementos, como el argón y el potasio o el cobalto y el níquel, seguían fuera de orden según el peso. En 1913, el joven físico inglés Henry Moseley, que trabajaba en el laboratorio de Ernest Rutherford en Mánchester, midió los rayos X emitidos por distintos elementos y descubrió que sus frecuencias aumentaban en pasos regulares de un elemento al siguiente.

Cada paso correspondía a una unidad más de carga positiva en el núcleo del átomo. Este número atómico se convirtió en la verdadera base de la tabla y mostró exactamente qué elementos faltaban aún. Moseley murió en combate en Galípoli en 1915, a los 27 años.

Seaborg, los actínidos y los elementos superpesados (1940-2016)

Los científicos también aprendieron a crear elementos que son extremadamente raros o inexistentes en la naturaleza. El tecnecio, obtenido en 1937, fue el primer elemento producido artificialmente, y en 1940 el neptunio y el plutonio se convirtieron en los primeros elementos más allá del uranio. En 1944, Glenn Seaborg propuso que los elementos a partir del actinio forman su propia serie, los actínidos, de manera muy parecida a los lantánidos. Publicada en 1945, la idea los trasladó a una fila separada debajo de la tabla principal y dio a la tabla su forma moderna.

Desde entonces, laboratorios de Estados Unidos, la Unión Soviética y más tarde Rusia, Alemania y Japón han creado elementos cada vez más pesados, a menudo de pocos átomos a la vez, mediante la fusión de núcleos atómicos. Un grupo de trabajo conjunto de la IUPAC y la IUPAP, las uniones internacionales de química y de física, evalúa ahora cada afirmación. En 2016, los cuatro últimos elementos confirmados recibieron los nombres de nihonio, moscovio, teneso y oganesón, con lo que se completó la séptima fila. La búsqueda de los elementos 119 y 120, que abrirían una octava fila, continúa.