Los profesores de química recientemente tuvieron que actualizar la decoración de sus aulas, con el anuncio de que los científicos han confirmado el descubrimiento de cuatro nuevos elementos en la tabla periódica. Los elementos aún sin nombre 113, 115, 117 y 118 llenaron los vacíos restantes en la parte inferior de la famosa tabla: una hoja de ruta de los componentes básicos de la materia que ha guiado con éxito a los químicos durante casi un siglo y medio.
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La confirmación oficial, otorgada por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés), se realizó hace años, ya que estos elementos superpesados son muy inestables y difíciles de crear. Pero los científicos tenían fuertes razones para creer que existían, en parte porque la tabla periódica ha sido notablemente consistente hasta ahora. Los esfuerzos para conjurar los elementos 119 y 120, que comenzarían una nueva fila, ya están en marcha.
Pero exactamente cuántos elementos más existen sigue siendo uno de los misterios más persistentes de la química, especialmente porque nuestra comprensión moderna de la física ha revelado anomalías incluso en los jugadores establecidos.
"Las grietas comienzan a aparecer en la tabla periódica", dice Walter Loveland, químico de la Universidad Estatal de Oregón.
La encarnación moderna de la tabla periódica organiza los elementos por filas basadas en el número atómico (el número de protones en el núcleo de un átomo) y por columnas basadas en las órbitas de sus electrones más externos, que a su vez generalmente dictan sus personalidades. Los metales blandos que tienden a reaccionar fuertemente con otros, como el litio y el potasio, viven en una columna. Los elementos reactivos no metálicos, como el flúor y el yodo, habitan en otros.
El geólogo francés Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois fue la primera persona en reconocer que los elementos podían agruparse en patrones recurrentes. Mostró los elementos conocidos en 1862, ordenados por sus pesos, como una espiral envuelta alrededor de un cilindro ( ver la siguiente ilustración ). Los elementos verticalmente alineados entre sí en este cilindro tenían características similares.
Pero fue el esquema organizacional creado por Dmitri Mendeleev, un ruso de mal genio que afirmó haber visto agrupaciones de elementos en un sueño, lo que resistió el paso del tiempo. Su tabla periódica de 1871 no era perfecta; predijo ocho elementos que no existen, por ejemplo. Sin embargo, también predijo correctamente el galio (ahora usado en láser), el germanio (ahora usado en transistores) y otros elementos cada vez más pesados.
La tabla periódica de Mendeleev aceptó fácilmente una nueva columna para los gases nobles, como el helio, que había sido eludida hasta finales del siglo XIX debido a su propensión a no reaccionar con otros elementos.
La tabla periódica moderna ha sido más o menos consistente con la física cuántica, introducida en el siglo XX para explicar el comportamiento de las partículas subatómicas como los protones y los electrones. Además, las agrupaciones se han mantenido principalmente como elementos más pesados que se han confirmado. Bohrium, el nombre dado al elemento 107 después de su descubrimiento en 1981, encaja perfectamente con los otros llamados metales de transición que lo rodean, uno de los investigadores que lo descubrieron proclamó que "el bohrium es aburrido".
Pero pueden venir tiempos interesantes.
Una pregunta abierta se refiere al lantano y al actinio, que tienen menos en común con los otros miembros de sus respectivos grupos que el lutecio y el lawrencio. IUPAC nombró recientemente un grupo de trabajo para investigar este tema. Incluso el helio, elemento 2, no es sencillo: existe una versión alternativa de la tabla periódica que coloca helio con berilio y magnesio en lugar de sus vecinos de gases nobles, en función de la disposición de todos sus electrones en lugar de solo los más externos.
"Hay problemas al principio, a la mitad y al final de la tabla periódica", dice Eric Scerri, historiador del departamento de química de la Universidad de California, Los Ángeles.
La teoría especial de la relatividad de Einstein, publicada décadas después de la mesa de Mendeleev, también introdujo algunas grietas en el sistema. La relatividad dicta que la masa de una partícula aumenta con su velocidad. Eso puede hacer que los electrones cargados negativamente que orbitan el núcleo cargado positivamente de un átomo se comporten de manera extraña, afectando las propiedades de un elemento.
Considere el oro: el núcleo está repleto de 79 protones positivos, por lo que para evitar caer hacia adentro, los electrones del oro tienen que moverse a más de la mitad de la velocidad de la luz. Eso los hace más masivos y los empuja a una órbita más estrecha y de menor energía. En esta configuración, los electrones absorben la luz azul en lugar de reflejarla, dando a las alianzas de boda su brillo distintivo.
Se dice que el famoso físico de bongo Richard Feynman invocó la relatividad para predecir el final de la tabla periódica en el elemento 137. Para Feynman, 137 era un "número mágico", había aparecido sin ninguna razón obvia en otra parte de la física. Sus cálculos mostraron que los electrones en elementos más allá de 137 tendrían que moverse más rápido que la velocidad de la luz, y así violar las reglas de la relatividad, para evitar chocar contra el núcleo.
Los cálculos más recientes han anulado ese límite. Feynman trató el núcleo como un único punto. Permita que sea una bola de partículas, y los elementos pueden continuar hasta aproximadamente 173. Luego se desata el infierno. Los átomos más allá de este límite pueden existir, pero solo como extrañas criaturas capaces de convocar electrones desde el espacio vacío.
La relatividad no es el único problema. Los protones cargados positivamente se repelen entre sí, por lo que cuanto más se empaque en un núcleo, menos estable tiende a ser. El uranio, con un número atómico de 92, es el último elemento lo suficientemente estable como para ocurrir naturalmente en la Tierra. Cada elemento más allá tiene un núcleo que se desmorona rápidamente, y su vida media, el tiempo que tarda la mitad del material en descomponerse, puede ser minutos, segundos o incluso segundos divididos.
Pueden existir elementos más pesados e inestables en otras partes del universo, como dentro de densas estrellas de neutrones, pero los científicos pueden estudiarlos aquí solo al romper átomos más ligeros para hacer los más pesados y luego tamizar a través de la cadena de descomposición.
"Realmente no sabemos cuál es el elemento más pesado que podría existir", dice el físico nuclear Witold Nazarewicz de la Universidad Estatal de Michigan.
La teoría predice que habrá un punto en el que nuestros núcleos hechos en laboratorio no vivirán lo suficiente como para formar un átomo adecuado. Un núcleo radiactivo que se desmorona en menos de diez billonésimas de segundo no tendría tiempo para reunir electrones a su alrededor y crear un nuevo elemento.
Aún así, muchos científicos esperan que existan islas de estabilidad más adelante, donde los elementos superpesados tienen núcleos relativamente longevos. Cargar ciertos átomos superpesados con muchos neutrones adicionales podría conferir estabilidad al evitar que los núcleos ricos en protones se deformen. Se espera que el Elemento 114, por ejemplo, tenga un número mágicamente estable de neutrones en 184. También se ha predicho que los Elementos 120 y 126 tienen el potencial de ser más duraderos.
Pero algunos reclamos de estabilidad súper pesada ya se han desmoronado. A fines de la década de 1960, el químico Edward Anders propuso que el xenón en un meteorito que cayó sobre el suelo mexicano provenía de la descomposición de un elemento misterioso entre 112 y 119 que sería lo suficientemente estable como para ocurrir en la naturaleza. Después de pasar años reduciendo su búsqueda, finalmente se retractó de su hipótesis en la década de 1980.
Predecir la estabilidad potencial de elementos pesados no es fácil. Los cálculos, que requieren una gran potencia informática, no se han realizado para muchos de los jugadores conocidos. E incluso cuando lo han hecho, este es un territorio muy nuevo para la física nuclear, donde incluso pequeños cambios en los insumos pueden tener profundos impactos en los resultados esperados.
Una cosa es segura: hacer que cada elemento nuevo se vuelva más difícil, no solo porque los átomos de vida más corta son más difíciles de detectar, sino porque hacer superpesados puede requerir haces de átomos que son radiactivos. Ya sea que haya o no un fin en la tabla periódica, puede haber un fin en nuestra capacidad para crear otras nuevas.
"Creo que estamos muy lejos del final de la tabla periódica", dice Scerri. "El factor limitante en este momento parece ser el ingenio humano".
Nota del editor: se ha corregido la afiliación de Witold Nazarewicz.
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