LOS EKA Y DVI METALES DEL SIGLO XIX (I) : las sistemáticas periódicas

En la segunda mitad del siglo XIX comienza un fenómeno realmente curioso en el mundo de la química  que va a tener repercusiones inesperadas: la sistematización y clasificación de los elementos que se habían descubierto, buscando posibles correspondencias entre ellos que permitieran un mejor estudio de sus propiedades. Sin embargo todo empezó mucho antes. A mediados del siglo XIII, a Alberto el Magno, se le ocurrió agrupar las sustancias integrantes básicas de la alquimia, el azufre, el mercurio y la sal, formando la primera triada; la triada prima. Lavoisier en 1786, clasifica las sustancias conocidas en sustancias simples que se pueden tomar como elementos de los cuerpos (la luz, el calórico, el oxígeno,  el "azote" y el hidrógeno), sustancias simples no metálicas oxidables o acidificables (azufre, fósforo, carbono, radical muriático, radical fluórico y radical borácico), sustancias simples metálicas oxidables y  acidificables (antimonio, plata, arsénico, bismuto, cobalto, cobre, estaño, hierro, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, oro, platino, plomo tungsteno y cinc), y sustancias simples salificables y terrosas (la cal, la magnesia, la barita, la alúmina y la sílice).

Ya a comienzos del siglo XIX, Ampère clasifica la sustancias en función de determinadas propiedades, pero será la hipótesis de Prout, al establecer al hidrógeno como la materia prima original, lo que hace que los pesos atómicos de los elementos sean múltiplos del hidrógeno, la que iniciará todos métodos clasificatorios que surgirán en la segunda mitad del siglo XIX, que parten del peso atómico de un elemento químico como hecho diferenciante.

Döbereiner, entre 1817 y 1830, asocia las sustancias conocidas por similitud en el comportamiento químico, en grupos de 3, aislando los elementos constituyentes [1] y  formando hasta 5 triadas, con la peculiaridad de que el peso atómico del elemento del medio, era la media aritmética de los valores de los  de los extremos. Así Br = (Cl+I)/2, Na = (Li+K)/2 y Se = (S+Te)/2 etc. No pudo generalizar mucho y sólo consiguió 5 tríadas, o sea clasificó 15 elementos. Gmelín en 1827, clasifica los elementos en 3 grupos; los que tienen el peso atómico igual o muy próximo, los de peso atómico múltiplo, y los de peso atómico media aritmética. Esta clasificación asociaba elementos sin el menor parecido en su comportamiento químico. Pettenkofer en 1850, amplía la idea de Döbereiner, clasificando 18 elementos y agrupándolos en 5 series de forma que sus pesos atómicos (que denominaba pesos equivalentes), se diferenciaban en 8 unidades o un múltiplo de 8.

La primera clasificación gráfica, surge en 1857 ^[2] y la hace Hinrich. Los elementos partiendo de un núcleo común, se distribuyen radialmente por familias. Hacia la parte superior, los no metales, y en la inferior los metales. Hay familias perfectamente definidas: Cloroideos (F, Cl, Br, I),  Fosfoideos (N, P, As, Sb), Sulfoideos (O, S, Se, Te), Kaloideos (Li, Na, K, Rb) etc. Incurre en errores graves, como agrupar al Zn, Cd y Pb, o incluir  al Ti  entre el C y el Si, o el V entre el Mo y el W.

La segunda  y más famosa, fue la tridimensional del francés Béguyer de Chancourtois, profesor de Geología de la Escuela de Minas de París, en forma de tornillo ^[3] . La sección circular del tornillo estaba dividida en 16, pues tomó como unidad de masa atómica la dieciseisava parte de la del oxígeno. Colocó los símbolos de los elementos en alturas proporcionales a sus masas atómicas, tomándolas como ordenadas sobre una generatriz. Sobre la superficie del cilindro trazó una hélice que formaba un ángulo de 451 con el eje, y se encontró que los elementos de la misma familia coincidían en la misma vertical, que englobaba a aquellos que se comportaban de una forma química similar, lo cual corroboraba su teoría de que:"Las propiedades químicas eran propiedades de números", frase histórica que se adelantaría en 70 años a la teoría electrónica de la periodicidad química.

La clasificación más denostada, la presentó el inglés Newlands en el  Chemical News, en varios trabajos durante 1863 y 1866, con el nombre de "Ley de las octavas". Ordenó los elementos por sus pesos atómicos crecientes, y al observar que las propiedades se repiten cada 8, enunció la ley citada ^[4] . La tabla que aparece en su ley lo indica todo:

Como se puede observar, la clasificación está llena de errores, dado que se agrupan elementos nada emparentados y con comportamiento distinto, y el intento de musicalizar a los elementos químicos, tal como se había hecho con metales y sustancias en la época alquímica, realmente  no fue un éxito. Sin embargo, posteriormente y en desarrollo de su sistema, fue el primero en postular la existencia de elementos desconocidos, anticipándose al ruso Mendeléev.

El mismo año, formó un sistema más completo Odling, en el cual dispone los 57 elementos de los 60 conocidos, en orden creciente de peso atómico, invirtiéndolo si fuera necesario, a fin de acomodarlos según analogías químicas. Por eso adelantó el teluro al yodo. También dejó huecos, para elementos por descubrir, en los pesos atómicos entre 40 y 60 y entre 65 y 75.

Vemos, pues que la sistematización de los elementos químicos a través de sus pesos atómicos, va a abrir una puerta para el descubrimiento de nuevos elementos, a partir de similitudes con los ya conocidos, cuyos huecos se deberían cubrir.

Por fin en 1868, se presenta una gráfica periódica que se va a usar durante 128 años, y que se sigue usando actualmente; la de volúmenes atómicos del alemán Julius Lothar Meyer, complemento de una sistemática que sólo publicaría en 1870, aunque se concibiera dos años antes. Se basó en la semejanza de los elementos por su atomicidad ^[5] con respecto al hidrógeno. Había 44 elementos dispuestos en 6 columnas, con diferencia de masa entre los elementos de cada una de  ellas de aproximadamente 16, 45 y 90 unidades, como se puede apreciar.

     Dado que la investigación era completamente independiente de la teórica de Mendeléev, tendremos dos nuevos elementos y dos símbolos Ga y Ea, para el mismo hueco en la familia del boro. )El galio y el ekaluminio eran el mismo elemento?

A finales de septiembre y a mediados de octubre, publica Boisbaudran las primeras propiedades del galio ^[15] . Algunas coinciden con las propuestas teóricamente por Mendeléev para el ekaluminio, pero no su densidad (4,7g/cc). La comunicación llega un mes más tarde a Moscú, allí Mendeléev asume el descubrimiento del galio, como comprobante de su ley, aseverando que el Ga era el Ea ^[16] , y que posiblemente Boisbaudran se hubiera equivocado en el cálculo de la densidad, por estar contaminado el metal por sodio, mucho más ligero. Repite la experiencia Boisbaudran, y efectivamente tenía razón Mendeléev, la densidad era 5,9g/cc; su ley estaba comprobada ^[17] . Los dos nombres y símbolos se funden en uno; el GALLIUM. Podría parecer que a partir de estos hechos surgiría una determinada rivalidad o enemistad entre ambos, pero no fue así. A finales de 1876, Lecoq le envió su fotografía, con la siguiente dedicatoria: "En señal del respeto más profundo y mi deseo más vivo de considerar a Mendeléev entre mis amigos. L.de B.". Debajo de la cual, escribió Mendeléev: "Lecoq de Boisbaudran. París. En 1875 descubrió el EKA ALUMINIUM denominado GALLIUM, Ga=69,7".

Su dicha fue muy corta ya que en una ortita de Bandel (un silicato completo de Ca, Ce, Fe y Al), aparecerá un nuevo metal que se parecía al GALLIUM en sus características espectroscópicas y que siguiendo la moda patriótica  inaugurada con el elemento anterior, en seguida fue bautizado por Pribrán como AUSTRIUM o AUSTRIO en español, en honor de Linnemann, su descubridor, proponiendo como símbolo At. Su vida fue muy efímera puesto que resultó ser una mezcla de Galio e Indio, que no habían podido ser convenientemente separados y purificados. Hechos como éste se darán continuamente hasta la primera mitad del siglo XX, pese a los avances tecnológicos en los métodos analíticos, todo ello debido a la fiebre nominadora que se había apoderado de los científicos. 

La ley de Mendeléev estaba comprobada, y trazado el camino para la investigación de nuevos elementos ^[18] . Se conocían unas propiedades teóricas, se sabía el peso atómico, luego habría que buscarlos a fin de ir cubriendo los huecos de la tabla. El siguiente elemento sería el eka boron, Eb. Para él había previsto Mendeléev las siguientes propiedades:

El sueco Nilson, el 12 de marzo de 1879, aísla un elemento con algunas de estas propiedades, a partir de un raro mineral, la euxenita que también dará nombre de EUXENIUM a un nuevo metal (no precisamente éste), cuando trataba de aislar algunos elementos de las tierras raras. Lo llama SCANDIUM en honor a Escandinavia ^[19] cuyo nombre antiguo era precisamente ESCANDIA ^[20] , con símbolo Sc. En principio no cree se trate del ekaboron, por que actuaba como tetravalente ya que su óxido era ScO₂  y su peso atómico era mucho más elevado; entre 160 y 180, lo cual correspondía a un elemento entre el estaño y el torio, suponiendo se tratase de un nuevo elemento de las tierras raras ^[21] . Theodor Cleve, compatriota de Nilsen, cinco meses después determinaría que el SCANDIUM, era el EKA BORON ^[22] Sin embargo todavía había un problema: la densidad del metal no coincidía con la prevista por Mendeléev. Sólo en 1937, Fischer encontraría trabajando con un escandio del 98% de pureza, que la densidad era 3g/cc. Seguía comprobándose la  tabla de Mendeléev.

Para el eka silicium, había previsto Mendeléev las siguientes propiedades:

Comienza a trabajar en su aislamiento, consigue obtener su sulfuro, en forma de escamas blancas. Lo disuelve en hidróxido amónico, lo vuelve a precipitar con exceso de ácido clorhídrico, encontrándose con que el sulfuro del elemento en cuestión era insoluble en ácidos concentrados, y soluble en agua y ácidos diluidos. Somete el sulfuro a corriente de hidrógeno y obtiene el elemento. Lo piensa bautizar como NEPTUNIUM, con símbolo Np, ya que era el nombre previsto el año anterior, pero que desechó pues ya se había empleado en un elemento descubierto por Hermann en 1876, dentro de los elementos parecidos al niobio y tantalio que se encontraron entre sus impurezas ^[23] . Por fin el 6 de febrero de 1886, envía el comunicado a la Sociedad Química alemana, nombrándolo GERMANIUM. Días después expide un comunicado a la Sociedad Química rusa, con el siguiente texto:

"El abajo firmante, tiene el honor de informar a la Sociedad Físico Química rusa que  encontró en la argirodita un nuevo elemento NO METÁLICO, próximo por sus propiedades al ARSÉNICO y al ANTIMONIO, el cual fue denominado GERMANIUM. La argirodita es el nuevo mineral descubierto por Welsbach en Friburgo, el cual consiste en plata, azufre y germanio".

Quiere decir que no creía que fuera un eka silicio ^[24] , y tampoco Mendeléev ^[25] , para el que las fuentes naturales donde se encontró no coincidían con las que suponía. Realmente no todas las propiedades predichas por Mendeléev se cumplían en los elementos encontrados. Así por ejemplo la capacidad del GERMANIO para fundirse y volatilizarse era muy diferente a las que se preveían para el EKA SILICIUM. Serían los químicos alemanes Richter y Lothar Meyer, los que demostrarán, meses más tarde que el GERMANIUM era el EKA SILICIUM ^[26] , permaneciendo aquél nombre, que producirá el GERMANIO español, y el símbolo Ge. En japonés, el germanio tiene un nombre muy curioso: JIH CHI TE, que quiere decir Japón y Alemania.

Como podemos apreciar los tres elementos descubiertos, incluso podríamos decir cuatro, tienen nombres geográficos latinos antiguos de los países de sus respectivos descubridores: GALIA, ESCANDIA, GERMANIA.

Animado por el éxito inicial de sus primeras predicciones y aprovechando la invitación de la Sociedad Química de Londres, a las Lecturas Faraday de 1889, lanza Mendeléev allí otras, surgiendo los EKA CESIUM (Ec), EKA TANTALIUM (Et), EKA IODINE (Ei) y DVI TELLURIUM (Dt). Éste debería presentar un peso atómico de 212, y formar un óxido de fórmula DtO₃. El elemento tendría que ser un metal no volátil de color gris, aunque fácilmente fusible, con una densidad de 9,3g/cc, capaz de dar DtO₂. Su hidruro sería mucho menos estable que el de Tellurium, sus compuestos serían fácilmente reducidos, y podrían producir aleaciones características con otros metales.

No tuvo tanta suerte con la segunda predicción, pues como veremos sólo acertó parcialmente en el caso del DVI TELLURIUM cuyas características de peso atómico aproximado (212), valencia, volatilidad, fusibilidad, densidad, color y propiedades ácido base previstas, van a coincidir con las del POLONIO (Po), descubierto en julio del 1898  por María Sklodowska de Curie. Sin embargo según la posición y la masa debería ser un EKA TELLURIUM y no un DVI TELLURIUM.  Naturalmente en su clasificación periódica en función de la masa atómica, Mendeléev no podía prever la aparición de los elementos de transición interna. Este fallo motivará la no coincidencia de las demás previsiones.

Dado que los elementos se ordenaban por familias en las que el comportamiento químico, que dependía de la estructura electrónica era similar, los elementos del mismo grupo deberían presentar la misma distribución electrónica externa. Los electrones se disponían en los orbitales siguiendo el Principio de Exclusión de Pauli, y las reglas de Hund, en orden creciente de energía. Esta energía según las normativas de Madelung (1936), explicadas por Klechkovskii (1962), por aplicación de la estadística de Fermi Dirac, depende de la suma de los números cuánticos n y l. Por lo tanto después del bario (Z=56), quinto metal del grupo 2A, y por lo tanto con 2 electrones en el orbital 6s (n=6, l=0), con suma (n+l)=6, debería ser ocupado el orbital de suma 7, esto es con n=4, l=3, o sea el 4f. Sin embargo para el número atómico 57 tiene más energía que el (n+l, 7, 5+2), por eso aunque el elemento 57 sea un 5d¹, y por lo tanto se comporte como un elemento del grupo 3B, en este caso un EKA ITRIO, el siguiente (Z=58) y los elementos sucesivos, cubren el orbital 4f, conservándose la estructura 6s²5d¹4fⁿ, situación impensable en la época de Mendeléev. Ahora bien según las leyes espectroscópicas el electrón en d, saltará fácilmente al f, a fin de estabilizarlo en función de un mayor número de electrones f desaparejados. Puesto que el orbital f semilleno y completo adquiere una especial estabilidad, no es de extrañar que las disposiciones electrónicas en 5d¹4fⁿ pasen fácilmente a 5d⁰4fⁿ⁺¹ como se verá más tarde a la hora de justificar la semejanza de su comportamiento.

También se contemplaba en ella la existencia de huecos, a cubrir por elementos que previsiblemente se irían descubriendo. En la tabla de volúmenes atómicos, relacionaba éstos con los pesos atómicos, y al dividirla en 6 secciones, los máximos y mínimos prácticamente coincidían. Igualmente preparó gráficas que relacionaban otras propiedades como la volatilidad, fusibilidad, fragilidad, y comportamiento electroquímico con el peso atómico.

Así Döbereiner, Pettenkofer, Cooke, Odling, Hinrinchs, Chancourtois, Newlands y Lothar Meyer contribuyeron a estas primeras sistematizaciones. Ahora bien, va a ser el ruso Mendeléev el que no sólo ordena los 63 elementos conocidos hasta aquel entonces, de los que 47 eran metales, sino que llega a predecir y "bautizar" nuevos metales sin haberlos aislado, rellenando los huecos existentes en su clasificación, estudiando no sólo sus posibles propiedades sino incluso pronosticando las de sus combinaciones. Tanto Lothar Meyer como Mendeléev, conciben su ley periódica, como núcleo fundamental de un libro sobre fundamentos de química. Ambos se basan en una estructura que auna la línea ascendente de las masas atómicas de los elementos químicos, con las características químicas repetitivas de sus combinaciones con el oxígeno y con el hidrógeno, fundamentalmente. Los dos la pergeñan en el mismo año; 1869. La primera de Mendeléev, surge  el 17 de febrero de 1869 ^[6] con el nombre de: "Ensayo de sistematización de los elementos sobre la base de sus pesos atómicos y de sus semejanzas químicas" y precedió en un año a la publicación de la primera edición de sus "Principios de Química", libro revolucionario en la forma de entender la química y que recibió el premio Demidoff, de la Academia Rusa de San Petersburgo ^[7]

El facsímil del manuscrito (borrador), en el que presentó Mendeléev el 17/02/1869, su ensayo de un sistema de los elementos químicos, se encuentra en el museo de la Universidad de Leningrado, y es éste:

Como se puede observar en esta clasificación había muchas incógnitas, así como cuatro huecos con interrogantes que corresponderían a elementos todavía no descubiertos. Igualmente modificó algunos pesos atómicos para que cuadrasen en su sistemática, suponiendo que debería existir algún error en procedimiento empleado para calcular el conocido en aquella época.

Para la nominación de elementos "no natos" al mundo científico, emplea el nombre de su inmediato superior, esto es, el de su elemento hermano en la familia química o grupo. A veces con una posición no llega y tiene que remontarse dos lugares por debajo. A la hora de optar por un prefijo indicativo del lugar respecto al elemento de referencia, no utiliza los latinos, normales en la época; el latín era el idioma científico por antonomasia, ni los especialmente cultos griegos, sino que elige el sánscrito como lengua de referencia ^[9] .

Así aparecen los EKA y los DVI metales ^[10] . Los EKA (uno en sánscrito ^[11] ), corresponden a aquellos situados en la sistemática periódica un lugar por debajo del elemento a que hacen referencia, mientras que los DVI (dos en sánscrito), lo estaría dos posiciones.

Dado que no está contento con la primera clasificación, trabaja año y medio en perfeccionarla, y juntamente con la primera edición de sus Principios de Química ^[12] publica en 1870 lo que llamó: "Sistema natural de los elementos". La distribución era diferente a la primera, pues el ordenamiento de las series era vertical, duplicándolas dentro de cada familia.

Para que cuadrasen en su sistemática, modificó nada menos que los pesos atómicos de 20 elementos, predijo la existencia de hasta 11 nuevos elementos, e incluso la de los transuránidos. De los 11, cinco estaban perfectamente definidos, inclusive con sus propiedades atómicas.Todos ellos eran metales, y sus nombres y símbolos serían: el EKA ALUMINIUM (Ea), el EKA BORON (Eb), el EKA SILICIUM (Es), el EKA MANGANESIUM (Em) y el DVI MANGANESIUM (Dm).

De esta forma en 1871, formula la siguiente ley que aparece en la segunda edición de sus Principios de Química:

"Las propiedades de los cuerpos simples así como la forma y propiedades de los compuestos de los elementos se encuentran en una relación periódica con respecto a la magnitud de los pesos atómicos de los elementos".

Todavía Mendeléev, propondría nuevas formas para su tabla, mucho más en consonancia con las que aparecen normalmente en los textos actuales, siempre con la división en dos grupos,  la de los elementos típicos, cabeceras de las distintas familias, y los grupos divididos en dos series, la de los elementos pares y la de los impares, equivalentes a los dos tipos de series que aparecían en la anterior.

En 1886, se publicó la primera sistemática periódica americana, del profesor Gibbes, con el nombre de Synoptical Table of the Chemical Elements. Su génesis data de 1870, totalmente independiente de la de Mendeléev,  tomó la forma de cuadro, y también de una espiral parecida a la de Chancourtois, pero con pendiente de 251, en vez de 45. No ordenó los elementos según pesos atómicos crecientes, sino por familias, en función de sus combinaciones químicas, con atomicidad de -4 hasta +3. Reconoció la existencia de huecos pero no se arriesgó a predecir propiedades ni a " bautizar" nuevos elementos, aunque supuso una atomicidad 0. Así era: