Como a tabela periódica passou de um esboço para uma obra-prima duradoura. 150 anos atrás, Mendeleev percebeu as relações dos elementos químicos. 

O REVOLUCIONÁRIO russo, químico Dmitrii Mendeleev (mostrado por volta de 1880) foi o primeiro a publicar uma tabela periódica, o que colocou os elementos conhecidos em uma ordem lógica e espaço para elementos ainda não descobertos. Crédito da imagem: HERITAGE IMAGE PARTNERSHIP LTD / ALAMY STOCK PHOTO

Cada campo da ciência tem seu aniversário favorito.

Para a física, é o Principia de Newton de 1687, o livro que introduziu as leis do movimento e da gravidade. A biologia celebra A Origem das Espécies de Darwin (1859) junto com seu aniversário (1809). Os fãs da astronomia comemoram 1543, quando Copérnico colocou o sol no centro do sistema solar.

E para a química, nenhum motivo de comemoração supera a origem da tabela periódica dos elementos, criada há 150 anos no mês de março pelo químico russo Dmitrii Ivanovich Mendeleev.

A tabela de Mendeleev se tornou tão familiar para os estudantes de química quanto as planilhas para os contadores. Ele resume uma ciência inteira em cerca de 100 quadrados contendo símbolos e números. Enumera os elementos que compõem todas as substâncias terrestres, dispostos de forma a revelar padrões em suas propriedades, orientando a busca da pesquisa química na teoria e na prática.

“A tabela periódica”, escreveu o químico Peter Atkins, “é indiscutivelmente o conceito mais importante da química”.

A tabela de Mendeleev parecia um gráfico ad hoc, mas ele pretendia que expressasse uma verdade científica profunda que ele havia descoberto: a lei periódica. Sua lei revelou profundas relações familiares entre os elementos químicos conhecidos, eles exibiam propriedades semelhantes em intervalos regulares (ou períodos) quando dispostos em ordem de seus pesos atômicos - e permitia a Mendeleev prever a existência de elementos que ainda não haviam sido descobertos.

“Antes da promulgação dessa lei, os elementos químicos eram meros fatos fragmentários e incidentais na Natureza”, declarou Mendeleev. “A lei da periodicidade primeiro nos permitiu perceber elementos não descobertos a uma distância que antes era inacessível à visão química.”

A tabela de Mendeleev fez mais do que prever a existência de novos elementos. Validou a crença então controversa na realidade dos átomos. Ele insinuou a existência de estrutura subatômica e antecipou o aparato matemático subjacente às regras que governam a matéria que eventualmente se revelaram na teoria quântica. Sua tabela findou a transformação da ciência química do misticismo mágico medieval da alquimia para o reino do rigor científico moderno. A tabela periódica simboliza não apenas os constituintes da matéria, mas a força lógica e a racionalidade de princípios de toda ciência.

Estabelecendo as bases

Diz a lenda que Mendeleev concebeu e criou sua tabela em um único dia: 17 de fevereiro de 1869, no calendário russo (1º de março na maior parte do resto do mundo). Mas isso provavelmente é um exagero. Mendeleev vinha pensando em agrupar os elementos há anos, e outros químicos consideraram a noção de relações entre os elementos várias vezes nas décadas anteriores.

Entre os cientistas que trabalharam para criar uma tabela dos elementos estavam, a partir da esquerda, Antoine Lavoisier, Johann Wolfang Döbereiner, John Newlands e Henry Moseley. Crédito: WIKIMEDIA

Na verdade, o químico alemão Johann Wolfgang Döbereiner notou peculiaridades nos agrupamentos de elementos já em 1817. Naquela época, os químicos ainda não haviam compreendido totalmente a natureza dos átomos, conforme descrito na teoria atômica proposta pelo professor inglês John Dalton em 1808. Em seu Novo Sistema de Filosofia Química, Dalton explicou as reações químicas assumindo que cada substância elementar era feita de um tipo particular de átomo.

As reações químicas, propôs Dalton, produziram novas substâncias quando os átomos foram desconectados ou unidos. Qualquer elemento consistia inteiramente em um tipo de átomo, ele raciocinou, distinto de outros tipos por peso. Os átomos de oxigênio pesavam oito vezes mais que os átomos de hidrogênio; os átomos de carbono eram seis vezes mais pesados que o hidrogênio, acreditava Dalton. Quando os elementos se combinavam para formar novas substâncias, as quantidades que reagiam podiam ser calculadas com o conhecimento desses pesos atômicos.

Dalton estava errado sobre alguns dos pesos - o oxigênio é realmente 16 vezes o peso do hidrogênio e o carbono é 12 vezes mais pesado do que o hidrogênio. Mas sua teoria tornou útil a ideia de átomos, inspirando uma revolução na química. Medir pesos atômicos com precisão tornou-se a principal preocupação dos químicos nas décadas que se seguiram.

Ao contemplar esses pesos, Döbereiner notou que certos conjuntos de três elementos (ele os chamou de tríades) mostraram uma relação peculiar. O bromo, por exemplo, tinha um peso atômico intermediário entre os pesos do cloro e do iodo, e todos os três elementos exibiam comportamento químico semelhante. Lítio, sódio e potássio também eram uma tríade.

Outros químicos perceberam ligações entre pesos atômicos e propriedades químicas, mas foi só na década de 1860 que os pesos atômicos foram bem compreendidos e medidos para que surgissem insights mais profundos. Na Inglaterra, o químico John Newlands percebeu que organizar os elementos conhecidos em ordem crescente de peso atômico produzia uma recorrência das propriedades químicas a cada oitavo elemento, um padrão que ele chamou de “lei das oitavas” em um artigo de 1865. Mas o padrão de Newlands não se manteve muito bem após as primeiras duas oitavas, levando um crítico a sugerir que ele deveria tentar organizar os elementos em ordem alfabética. Claramente, a relação entre as propriedades dos elementos e os pesos atômicos era um pouco mais complicada, como Mendeleev logo percebeu.

Organizando os elementos

Nascido em Tobolsk, na Sibéria, em 1834 (o 17º filho de seus pais), Mendeleev viveu uma vida dispersa, perseguindo múltiplos interesses e percorrendo um caminho desordenado para a proeminência. Durante sua educação superior em um instituto de ensino em São Petersburgo, ele quase morreu de uma doença grave. Após a formatura, ele lecionou em escolas de ensino médio (requisito de sua bolsa de estudos no instituto de ensino) e, enquanto lecionava matemática e ciências, fez pesquisas para seu mestrado.

Ele então trabalhou como tutor e palestrante (junto com alguns textos científicos populares paralelamente) até ganhar uma bolsa para uma longa viagem de pesquisa nos laboratórios de química universitários mais proeminentes da Europa.

Quando voltou para São Petersburgo, não tinha emprego, então escreveu um manual magistral sobre química orgânica na esperança de ganhar um grande prêmio em dinheiro. Foi um tiro no escuro que valeu a pena, com o lucrativo Prêmio Demidov em 1862. Ele também encontrou trabalho como editor, tradutor e consultor para várias indústrias químicas. Por fim, ele voltou a pesquisar, obtendo seu doutorado. Em 1865, tornando-se professor da Universidade de São Petersburgo.

Logo depois disso, Mendeleev se viu prestes a ensinar química inorgânica. Ao se preparar para dominar esse novo (para ele) campo, não ficou impressionado com os livros disponíveis. Então ele decidiu escrever o seu próprio. Organizar o texto exigia organizar os elementos, então a questão de como organizá-los da melhor maneira estava em sua mente.

No início de 1869, Mendeleev havia feito progresso suficiente para perceber que alguns grupos de elementos semelhantes mostravam um aumento regular nos pesos atômicos; outros elementos com pesos atômicos aproximadamente iguais compartilhavam propriedades comuns. Parecia que ordenar os elementos por seu peso atômico era a chave para categorizá-los.

Pelo próprio relato de Mendeleev, ele estruturou seu pensamento escrevendo cada uma das propriedades dos 63 elementos conhecidos em um cartão individual. Então, por meio de uma espécie de jogo de paciência química, ele encontrou o padrão que procurava. Organizar as cartas em colunas verticais de pesos atômicos inferiores para superiores colocou elementos com propriedades semelhantes em cada linha horizontal. A tabela periódica de Mendeleev nasceu. Ele esboçou sua tabela em 1º de março, enviou-a para a gráfica e incorporou-a em seu livro-texto a ser publicado em breve. Ele rapidamente preparou um artigo a ser apresentado à Sociedade Química Russa.

Esboçado um rascunho manuscrito da tabela periódica de Mendeleev, na qual ele organizou os elementos por peso atômico para revelar a lei periódica, mostrando como os elementos tinham propriedades semelhantes em intervalos regulares, ou periodicidades. Crédito: INTERFOTO / ALAMY STOCK PHOTO

“Elementos organizados de acordo com o tamanho de seus pesos atômicos mostram propriedades periódicas claras”, declarou Mendeleev em seu artigo. “Todas as comparações que fiz... levam-me a concluir que o tamanho do peso atômico determina a natureza dos elementos.”

Enquanto isso, o químico alemão Lothar Meyer também estava trabalhando na organização dos elementos. Ele preparou uma tabela semelhante à de Mendeleiev, talvez antes mesmo de Mendeleiev. Mas Mendeleev publicou primeiro.

Mais importante do que derrotar Meyer no golpe de publicação, entretanto, foi o uso de Mendeleev de sua tabela para fazer previsões ousadas sobre elementos não descobertos. Ao preparar sua tabela, Mendeleev notou que faltavam alguns cartões. Ele teve que deixar espaços em branco para que os elementos conhecidos se alinhassem corretamente. Durante sua vida, três dessas lacunas foram preenchidas com os elementos até então desconhecidos gálio, escândio e germânio.

Mendeleev não apenas previu a existência desses elementos, mas também descreveu corretamente suas propriedades em detalhes. O gálio, por exemplo, descoberto em 1875, tinha um peso atômico (conforme medido na época) de 69,9 e uma densidade seis vezes maior que a da água. Mendeleev previu um elemento (ele o chamou de eka-alumínio) com exatamente essa densidade e um peso atômico de 68. Suas previsões para eka-silício eram muito semelhantes ao germânio (descoberto em 1886) em peso atômico (72 previstos, 72,3 observados) e densidade (5,5 contra 5,469). Ele também previu corretamente a densidade dos compostos de germânio com oxigênio e cloro.

A tabela de Mendeleev tornou-se um oráculo. Era como se as peças do Scrabble no final do jogo revelassem os segredos do universo. Enquanto outros vislumbraram o poder da lei periódica, Mendeleev era o mestre em explorá-la.

As previsões bem-sucedidas de Mendeleev lhe renderam o status de lendário como um maestro da magia química. Mas hoje, historiadores contestam se a descoberta dos elementos previstos cimentou a aceitação de sua lei periódica. A aprovação da lei pode ter sido mais devido ao seu poder de explicar as relações químicas estabelecidas. Em qualquer caso, a precisão do prognóstico de Mendeleiev certamente atraiu a atenção para os méritos de sua tabela.

Na década de 1890, os químicos reconheceram amplamente sua lei como um marco no conhecimento químico. Em 1900, o futuro ganhador do Prêmio Nobel de Química William Ramsay a chamou de "a maior generalização que já foi feita na química". E Mendeleev o fizera sem entender profundamente por que funcionava.

Um mapa matemático

Em muitos casos na história da ciência, grandes previsões baseadas em novas equações revelaram-se corretas. De alguma forma, a matemática revela alguns dos segredos da natureza antes que os pesquisadores os encontrem. A antimatéria é um exemplo, a expansão do universo outro. No caso de Mendeleev, as previsões de novos elementos surgiram sem nenhuma matemática criativa. Mas, na verdade, Mendeleev havia descoberto um mapa matemático profundo da natureza, pois sua tabela refletia as implicações da mecânica quântica, as regras matemáticas que governam a arquitetura atômica.

Em seu livro, Mendeleev havia notado que “diferenças internas da matéria que compreende os átomos” poderiam ser responsáveis pelas propriedades periódicas recorrentes dos elementos. Mas ele não seguiu essa linha de pensamento. Na verdade, ao longo dos anos, ele hesitou sobre a importância da teoria atômica para sua tabela.

Mas outros podiam ler a mensagem da tabela. Em 1888, o químico alemão Johannes Wislicenus declarou que a periodicidade das propriedades dos elementos quando organizadas por peso indicava que os átomos são compostos de arranjos regulares de partículas menores. Portanto, em certo sentido, a tabela de Mendeleev antecipou (e forneceu evidências para) a complexa estrutura interna dos átomos, em uma época em que ninguém tinha ideia de como um átomo realmente se parecia, ou mesmo se tinha alguma estrutura interna.

Na época da morte de Mendeleev em 1907, os cientistas sabiam que os átomos tinham partes: elétrons, que carregavam uma carga elétrica negativa, mais algum componente carregado positivamente para tornar os átomos eletricamente neutros. Uma pista chave de como essas partes foram organizadas veio em 1911, quando o físico Ernest Rutherford, que trabalhava na Universidade de Manchester, na Inglaterra, descobriu o núcleo atômico. Pouco depois, Henry Moseley, um físico que havia trabalhado com Rutherford, demonstrou que a quantidade de carga positiva no núcleo (o número de prótons que ele continha, ou seu “número atômico”) determinava a ordem correta dos elementos na tabela periódica.

O peso atômico estava intimamente relacionado ao número atômico de Moseley - perto o suficiente para que a ordenação dos elementos por peso difira em apenas alguns pontos da ordenação por número. Mendeleev insistiu que esses pesos estavam errados e precisavam ser medidos novamente e, em alguns casos, ele estava certo. Algumas discrepâncias permaneceram, mas o número atômico de Moseley ordenou corretamente a tabela.

Mais ou menos na mesma época, o físico dinamarquês Niels Bohr percebeu que a teoria quântica governava o arranjo dos elétrons ao redor do núcleo e que os elétrons mais externos determinavam as propriedades químicas de um elemento.

O físico Niels Bohr revisou a tabela periódica em 1922. Crédito: QWERK / WIKIMEDIA COMMONS

Arranjos semelhantes dos elétrons externos se repetiam periodicamente, explicando os padrões que a tabela de Mendeleev havia revelado originalmente. Bohr criou sua própria versão da tabela em 1922, com base em medições experimentais de energias eletrônicas (junto com algumas orientações da lei periódica).

A tabela de Bohr acrescentou elementos descobertos desde 1869, mas ainda era, em essência, o arranjo periódico que Mendeleev havia descoberto. Sem a menor pista para a teoria quântica, Mendeleev criou uma tabela refletindo a arquitetura atômica ditada pela física quântica.

Na versão de 1922 do físico dinamarquês Niels Bohr da tabela periódica, adaptada de uma tabela do químico dinamarquês Julius Thomsen, elementos com propriedades semelhantes ocupam linhas horizontais conectadas por linhas. A caixa vazia à direita marca a ocorrência esperada de um grupo de elementos que são quimicamente semelhantes aos elementos de terras raras (números 58–70) na coluna anterior. Crédito: N. BOHR, 1922

A nova tabela de Bohr não foi a primeira nem a última variante do design original de Mendeleev. Centenas de versões da tabela periódica foram criadas e publicadas. A forma moderna, um design horizontal em contraste com a versão vertical original de Mendeleev, tornou-se amplamente popular apenas após a Segunda Guerra Mundial, em grande parte devido ao trabalho do químico americano Glenn Seaborg (um membro de longa data do conselho do Science Service, o editor original do Science News).

Seaborg e colaboradores haviam produzido sinteticamente vários novos elementos com números atômicos além do urânio, o último elemento que ocorre naturalmente na tabela. Seaborg viu que esses elementos, os transurânicos (mais os três elementos anteriores ao urânio) exigiam uma nova linha na tabela, algo que Mendeleev não havia previsto. A tabela de Seaborg acrescentou a linha para esses elementos abaixo de uma linha semelhante para os elementos de terras raras, cujo lugar apropriado também nunca foi bem claro. “Foi preciso muita coragem para resistir a Mendeleev”, disse Seaborg, que morreu em 1999, em uma entrevista de 1997.

Em sua revisão, o químico americano Glenn Seaborg virou a tabela periódica na horizontal, adicionando vários elementos produzidos sinteticamente além do urânio. Crédito: CORTESIA DE LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LAB

As contribuições de Seaborg para a química valeram-lhe a honra de seu próprio elemento homônimo, seaborgium, número 106. É um de um punhado de elementos nomeados para homenagear um cientista famoso, uma lista que inclui, é claro, o elemento 101, descoberto por Seaborg e colegas em 1955 e batizado de mendelévio, para o químico que, acima de tudo, merecia um lugar na tabela periódica.

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Referência:

SIEGFRIED, Tom. How the periodic table went from a sketch to an enduring masterpiece. Science News, 08, jan. 2019. Disponível em: <https://www.sciencenews.org/article/periodic-table-history-chemical-elements-150-anniversary>. Acesso em: 23, jun. 2021.

GUHARAY, Deboleena M. A brief history of the periodic table. AS BMB TODAY - The Member Magazine of the American Society for Biochemistry and Molecular Biology, 07, fev. 2021. Disponível em: <https://www.asbmb.org/asbmb-today/science/020721/a-brief-history-of-the-periodic-table>. Acesso em: 23, jun. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.