Apuntes de ciencia, Miguel Carreras

El camino hacia los Superelementos

El camino hacia los Superelementos

 

A la memoria del amigo Eduardo Averbuj que nos ha dejado.

El hombre ha tenido desde tiempos remotos curiosidad por la composición del mundo que le rodea, así como por la diversidad de las sustancias y sus transformaciones. Desde un principio pareció lógico suponer que, rompiendo las cosas hasta su naturaleza última, deberían aparecer los bloques más simples, los elementos.

Se inicia la búsqueda

Hace unos 600 años antes de la era cristiana Tales  postuló que el elemento primordial del Universo era el agua, si bien su discípulo Anaximandro discrepó, indicando que no debía asemejarse a sustancia alguna familiar al hombre. Después Anaxímenes sustituyó el agua por el aire. Heráclito de Éfeso puso el énfasis en el fuego y posteriormente Empédocles de Agrigento habló de cuatro elementos básicos- tierra, agua, aire y fuego- asociados a lo sólido, líquido, vaporoso  y a la mutabilidad. El resto de la materia sería el resultado de las combinaciones de esos cuatro elementos.

Aristóteles defendió y desarrolló esta idea, sugiriendo que cada elemento buscaba su propio nivel en el Universo. Esta tesis se mantuvo durante siglos, con matices,  críticas y aportaciones.

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Antoine-Laurent Lavoisier

La descomposición del agua por Antoine-Laurent Lavoisier y otros descubrimientos supusieron el desplome de la teoría de los cuatro elementos y llevó a la aceptación de una pluralidad indeterminada de elementos. Aunque Robert Boyle había dejado su  idea de elemento, fue Lavoisier quien dio una definición práctica acorde con los nuevos tiempos: “Elemento es el último término a que se llega por aplicación del análisis”, añadiendo que  no se podía descomponer en otra entidad de masa menor. En su Tratado elemental de Química presentó un intento de sistematización sobre la base de treinta y tres sustancias simples, algunas de las cuales se demostraron no elementales, lista que pronto subió a cerca de sesenta.

La teoría atómico-molecular de John Dalton y Amedeo Avogadro y  Jöns J.Berzelius con su nuevo sistema de notación química, Lavoisier y la utilización precisa de la balanza, así como los nuevos métodos de determinación de masas atómicas  prepararon el camino para una ordenación racional de los elementos, que tras los precedentes de Beguyer de Chancourtois, Johan W.Döbereiner y John Newlands, culminarían Dimitri I. Mendeléiev y Julius L.Meyer.

Hacia la ordenación racional

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D.I. Mendeléiev

Se trataba de, en base al peso atómico, formular parentescos entre los elementos. August Kekulé convocó en 1860 el I Congreso Internacional de Kalrsrue, con protagonismo de Stanislao Cannnizaro y Mendeléiev, en el que se logró la unificación del sistema de pesos atómicos y se consolidó esa magnitud como criterio de clasificación.

Mendeléiev y Meyer, el uno desde el punto de vista de la valencia y el otro desde los volúmenes atómicos, dieron a conocer sus trabajos en 1864 y, si bien el segundo se adelantó, el ruso utilizó su tabla para predecir propiedades de elementos por descubrir y corrigió pesos atómicos y Meyer no lo hizo. “Las propiedades de los cuerpos simples y compuestos dependen de una función periódica de los pesos atómicos de los elementos por la sola razón de que esas mismas propiedades son las de los elementos de que derivan esos cuerpos”, escribió Mendeléiev en su libro Los principios de la Química, que incluía una ordenación  similar a la actual, con errores que corrigió y algún fracaso, lo que no merma sus indudables méritos.

Según Pascual Román, “la clasificación periódica de los elementos constituye una de las mayores y más valiosas generalizaciones de la ciencia de todos los tiempos”. Y Eduardo Averbuj escribió, refiriéndose a la obra del científico ruso:”La suya fue la hazaña del orden (…). Había conseguido que la Química, por fin, fuese una ciencia adulta”.

Algunos científicos han aportado sus tablas, por ejemplo Niels Bohr, considerando la cuántica,  Miguel Catalán, basándose en sus estudios espectroscópicos, las tablas en espiral de Theodor Bentey y Melinda E. Green, fractal en este último caso y  una en forma de cubo de Rubik. Los físicos teóricos hablan de tabla de las partículas subatómicas, para referirse al Modelo Standard y se han hecho populares en redes sociales algunas humorísticas y hasta una tabla para mejorar la ortografía.

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La tabla ortográfica.

El espectroscopio jugó un gran papel en el descubrimiento de nuevos elementos y posteriormente la radiactividad y la fisión nuclear. Estos conocimientos, la búsqueda y ubicación de los gases nobles y el papel de los electrones contrariaron de algún modo a  Mendeléiev, que cometió alguna extravagancia, como intentar clasificar al éter y el coronio. En 1913 los trabajos sobre espectros de rayos X llevaron a Henry G. Moseley a suponer una cantidad fundamental en el átomo que aumenta regularmente de un elemento al siguiente, concluyendo que el número de cargas unitarias del núcleo coincide con el número de orden del elemento en el sistema de periodos, número que bautizó como atómico, que fue aceptado como definitivo número de ordenación. La periodicidad con que cambian las propiedades químicas de los elementos refleja la periodicidad según la que se completan las capas electrónicas.

Nuevos métodos, nuevos descubrimientos.

La profundización en el fenómeno de la radiactividad llevó a a descubrir algunos elementos pesados y su conexión en el Uranio y el Torio (ya conocidos por Mendeléiev), de los que se originaban series de elementos. Como homenaje a Marie Curie, descubridora con su marido Pierre del Radio y el Polonio, el Cm-96 lleva su nombre. En 1937 había dos huecos, el 43 y el 61, que no aparecían en las citadas series y que pronto se supo que se originaban en la Nucleosíntesis en el interior de las estrellas.

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El sistema solar y elementos.

Los elementos Tecnecio y Promecio y los que siguen al Uranio se consideran artificiales, aunque existen en cantidades apreciables en lugares del Universo distintos de la Tierra. El primer elemento obtenido artificialmente fue el Tc-99. Mediante la fisión nuclear fue posible identificar varios elementos más allá del Uranio. Como escribía el miembro de la Academia de Ciencias de Rusia, Dimitri N. Trifonov en nuestra revista Ciencia Viva en 1995: “Siendo los transuránidos radiactivos en alto grado, ya en etapas tempranas de la existencia de la Tierra se descompusieron, transformándose en elementos estables (…). La síntesis de nuevos elementos se cuenta entre los logros científicos más grandes del siglo XX.”

También se pueden obtener elementos pesados en las explosiones nucleares. Así se identificaron el Es-90 y el Fermio en la  producida en el atolón Eniwetock en 1952. Sin embargo los transférmicos requerían por este método condiciones próximas a la síntesis inicial del Universo.

Los iones pesados y la isla de la estabildad

Las reacciones de los núcleos pesados con iones acelerados en ciclotrones han llevado a la obtención de los elementos comprendidos entre el 101 y el 110 en procesos de muy bajo rendimiento. Había que vencer la barrera culombiana de repulsión para lograr que la energía cinética de los núcleos rebase a la potencial de interacción eléctrica. Por este método se obtuvo en el Laboratorio Nacional Lawrence de Berkeley en 1955, por Glenn T.Seaborg y sus colaboradores el Mendelevio:

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Seaborg, encontró diez nuevos elementos pesados entre ellos el 106, que en su honor se llama Seagorbio, siendo el primer caso en que a un elemento se le asignó el nombre relacionado con un científico vivo.

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Glen T. Seaborg.

Pasar del Mendelevio al 102 llevó once años. Se probó con núcleos acelerados de C, N y Ne y las investigaciones se desarrollaron simultáneamente en la antigua URSS y en USA.

Los soviéticos construyeron en 1961 el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna con un ciclotrón especial para iones pesados. Según decían Gueorgui N. Flerov y Alexandr S.Ilinov: “La sala del ciclotrón es un enorme local que casi no se diferencia por sus dimensiones de la sala del Teatro Bolshoi. El diámetro de los polos del imán es de 310 cm. y su peso 2.700 toneladas. Por el devanado del imán circula una corriente de 2000 A. y la potencia del alternador de alta frecuencia que alimenta el ciclotrón es de 400Kw.”Allí se descubrieron entre 1966 y 1976  los elementos de número atómico comprendido entre 102 y 108.  Este último fue también detectado por la Sociedad de Investigación de Iones pesados en la ciudad alemana de Darmstadt, donde también se observó un acontecimiento de desintegración α del hoy denominado Meitnerio. –elemento que honra a una mujer, Lise Meitner-  obtenido así:

 

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Centro de investigación de iones pesados de Darmstadt.

Se  comprobó que el tiempo de vida de esos nuevos elementos disminuía irregularmente al crecer el número atómico y que los núcleos atómicos con determinados números de protones o neutrones eran más estables que sus vecinos. A esos números, en 1948, M.G.  Mayer y H.D. Jensen les llamaron mágicos, siendo más estables aquellos núcleos con las capas de neutrones y protones especialmente estructuradas y a esas capas corresponden los números mágicos. Existía cierta periodicidad en los núcleos y algunas previsiones teóricas de este modelo de capas hacían suponer la existencia de una isla de estabilidad en torno a los valores mágicos citados. Todo ello condujo al concepto de superelemento aplicable a aquellos elementos pesados relativamente estables.

Pero al aumentar la carga nuclear aumenta mucho la atracción del núcleo  hacia los electrones internos, pudiendo llegarse a que éstos fueran captados. Se calculó que esa catástrofe surgiría cuando el número de orden fuera de 170, luego no deberían existir elementos más pesados. Investigaciones en Berkeley, Darmstadt y Dubna mostraban que algunos superelementos podían encontrarse en la naturaleza.

En busca de los superelementos.

Una línea de investigación de superelementos ha sido los meteoritos. Todo indicaba que el responsable de la anómala composición de Xenón del meteorito Renezzo fuera un superelemento ya extinguido con número atómico comprendido entre 111 y 116. También pueden existir vestigios en las nubes de gas procedentes de las supernovas. El profesor de la Universidad española de Oviedo León Garzón planteaba estos interrogantes:” a) ¿Se forman superelementos en las explosiones de supernovas? En caso afirmativo; b) ¿Es el periodo de semidesintegración del superelemento lo suficientemente grande para que pueda encontrarse en la corteza terrestre?”

Investigadores de laboratorios muy especializados optaron por orientar la búsqueda en ciertos materiales de la corteza y en los fondos marinos, aunque la concentración de superelemento y los costes del tratamiento de extracción hacían el proyecto de muy dudosa rentabilidad.

En ocasiones  han surgido problemas con los nombres de los elementos. Antiguo y ya  superado es el  Lutecio, llamado por otros Casiopeo, prevaleciendo el Lu. En el caso del W se dio como válido el nombre de Wolframio, pero en 2005 se cambió por Tungsteno, pese a la oposición de una parte del mundo hispano. Durante la guerra fría el binomio Ku- Ha, alusivo a los investigadores ligados a explosiones nucleares Igor V.Kurchatov y Otto Hahn, generó controversia y nombres y símbolos se  sustituyeron respectivamente por Rutherfordio (Rf) y Dubnio (Db). La IUPAC tuvo durante un tiempo dificultades con los nombres, que llevaron a un sistema complejo, consistente en  símbolos de tres letras a partir de los dígitos de sus números atómicos expresados mediante una mezcla de raíces griegas y latinas. Así el 112, hoy Copernicum, era Uub, Ununbium.

Según escribe Theodore Gray:”Los elementos del 101 al 109 no tienen ninguna aplicación pero al menos puede crearse una cantidad visible y puede hacerse una lista con el número exacto de átomos que se han creado y cuándo se crearon. (…). Los núcleos de esta parte de la tabla periódica se vuelven demasiado grandes y difíciles de manejar para permanecer estables más de unas cuantas horas. El que más dura es el Mendelevio, con una vida media de 74 días y el de vida media más corta  el Meitnerio, solo 13 minutos”.

Pascual Román planteaba estos retos científicos  hace unos años: “¿Cuál es el futuro que nos depara el nuevo siglo? ¿Se seguirán descubriendo nuevos elementos químicos al mismo ritmo?¿Qué nuevas aplicaciones tendrán los elementos superpesados? ¿Quiénes están preparados para descubrir nuevos elementos?

¿Resistirá la ley periódica a los nuevos descubrimientos?” Algunas de esas cuestiones siguen pendientes y otras se van aclarando. Las investigaciones en Berkeley, Dubna, Darmstadt y los nuevos centros- Instituto Paul Scherrer de Suiza y el de Física y Química japonés-seguirán proporcionando respuestas.

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Tabla periódica en el año 2016.

En 2016 se ha dado nombre a cuatro elementos, el Nihonio (Nh-113), el Moscovio (Mc-115), el Téneso (Ts-117) y el Oganesón (Og-118). Este último hace honor al investigador ruso Yuri Oganessian, segundo científico que ve su nombre reflejado en la tabla en vida, que ha experimentado sobre la isla de estabilidad. El Nh se obtuvo en la colisión de iones Cinc con Bismuto.

El catedrático de la Universidad de Barcelona y estudioso de las relaciones Química- Música Santiago Álvarez habla de obras musicales relacionadas con el tema que nos ocupa y cita Los elementos de Jean- Fery- Rebel. Y con unos versos del libro Las escrituras del universo (Poemas sobre ciencia) del físico y poeta David Jou concluimos. Son del poema La tabla periódica:

Miradlos: aquí, los ladrillos del mundo, alineados en / pisos, en estantes, repitiendo regularmente propiedades, / delatando una estructura más profunda, / ya no materia eterna e inmutable, sino historia en las / estrellas, rastros de tanteos, edificios de niveles y / subniveles, nubes de incertidumbre, flores combinatorias.

 Bibliografía:

Asimov, Isaac. La búsqueda de los elementos. Editorial Plaza&Janés. 1986.

Averbuj, Eduardo. El hierro se volvió oro. (Historia de la Química). Questio. Montena Aula. 1988.

Fliorov, Gueorgui- N.Ilinov, Alexandr S. En el camino hacia los superelementos. Editorial Mir. 1985.

Garzón, León. De Mendeleiev a los superelementos. Servicio de Publicaciones Universidad de Oviedo. 1988.

Gray, Theodore. Los elementos. Editorial Vox. 2011.

Jackson, Tom. Los elementos. (Una historia ilustrada de la Tabla Periódica). Editorial Librero. 2016.

Levi, Primo. El sistema periódico. Alianza Editorial. 1988.

Román, Pascual. El profeta del orden químico: Mendeléiev. Ediciones Nivola. 2002.

Sacks, Oliver. El tío tungsteno. (Recuerdos de un químico precoz). Editorial Anagrama. 2003.

 

Miguel Carreras Ezquerra. Asociación Ciencia Viva.

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Comentarios

Un comentario en “El camino hacia los Superelementos

  1. Sólo quiero daros las gracias por permitirme mantener la conexión con la Ciencia, en este caso con la Química, mi primera profesión que,demasiado dura para mi carácter extrovertido, he cambiado por la abogacía. Muchísimas gracias por los trabajos que recibo desde vuestra organización, y que mantienen vivo mi interés por este campo del conocimiento humano, tan impenetrable para muchas personas.

    Publicado por Carmen Baeza | febrero 24, 2017, 12:18 pm

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