Ce este un element?

În ceea ce privește conceptele chimice, nu există un concept mai fundamental decât cel de element. Este una dintre primele idei pe care le întâlnește studentul la chimie, adesea în tabloul iconic al acestor ingrediente de bază ale naturii pe care Dmitri Mendeleev l-a descris pentru prima dată acum 150 de ani și care este sărbătorit anul acesta. Și totuși, nimeni nu poate spune cu exactitate ce este un element. Întrebarea a fost dezbătută cu multă vigoare și pasiune ocazională în timpul unei întâlniri a Societății Internaționale de Filosofie a Chimiei din Bristol în iulie 2018 – dar tot fără a produce vreun consens.

Nu este o surpriză. Unele dintre cele mai strălucite minți ale chimiei, inclusiv Antoine Lavoisier, Mendeleev însuși și pionierul chimiei nucleare Frederick Soddy, s-au confruntat cu ea, dar totuși o definiție concisă și cuprinzătoare rămâne evazivă. Iar unii dintre participanții la întâlnire au lăsat să se înțeleagă că acest lucru ar putea fi cel mai bine.

Pentru alții, este un indiciu că chimia are de făcut o gândire filosofică serioasă. ‘Chimia nu se înțelege pe sine ca disciplină’, spune filosoful Farzad Mahootian de la Universitatea New York din SUA. Nu este vorba doar de definiția unui element; concepte precum moleculele, legăturile și chiar caracterul însuși al tabelului periodic rămân neclare: în mod înșelător de familiare din cauza utilizării regulate de către practicieni, dar lipsite de un înțeles asupra căruia toată lumea să fie de acord. „Este nevoie de o reflecție filozofică asupra aspectelor chimiei pe care avem tendința de a le preda într-un mod mai degrabă mecanic”, spune Eric Scerri de la Universitatea California Los Angeles din SUA, editor al revistei de filozofie a științei Foundations of Chemistry.

Pare rezonabil să ne așteptăm ca chimia să ofere o definiție lipsită de ambiguitate

Semnificația unui „element” este un subiect favorit de dispută între chimiștii care nu sunt de serviciu. Suntem de acord (nu-i așa?) că hidrogenul este un element – dar ce înțelegem prin asta? Este hidrogenul gazos molecular un element? Sau atomul izolat de hidrogen? Sau ne referim nu la o substanță reală, ci la o noțiune „transcendentală” de hidrogen din care atomii și moleculele reale sunt doar reprezentanți materiali?

Cei care ar putea spune: cui îi pasă? Noi știm ce vrem să spunem în practică. Dacă spun „Sulful este un element care formează un solid galben cu un miros înțepător”, nu mă aștept la obiecții. La fel și dacă spun „Sulful este al doilea element din grupa 16 a tabelului periodic”. Dar acestea sunt două lucruri destul de diferite.

Potrivit chimistului teoretician Eugen Schwarz de la Universitatea din Siegen, Germania, atitudinea tipică este de a spune: ‘Știu că modul în care vorbesc despre elemente nu este chiar corect, dar toată lumea o face, iar studenții își vor da seama în cele din urmă’. Dar ‘sentimentul meu personal, ca chimist, este că nu ar trebui să adoptăm acest obicei’, adaugă el.

Elena Ghibaudi de la Universitatea din Torino, Italia, își face griji că acest eșec de a defini cu precizie un element ridică probleme de înțelegere, comunicare și încredere în predare. ‘Atunci când doi experți în chimie discută despre elemente, ei sunt capabili să distingă sensul din context, dar nu este la fel în sala de clasă’, spune ea.

Ar putea exista probleme și pentru înțelegerea chimiei de către public. Schwarz atrage atenția asupra modului în care, deoarece unele elemente ajung să fie asociate cu substanțe toxice – gazul clor, de exemplu, sau sulful din dioxidul de sulf eliberat de arderea cărbunelui și a petrolului – elementul în sine poate ajunge să fie privit ca fiind inerent toxic și vulnerabil la interdicții ale analfabeților în domeniul chimiei. ‘Nu știu cum să clarificăm pentru public faptul că doar unii compuși ai unui anumit element sunt toxici, și chiar și asta doar peste o anumită concentrație, în timp ce o cantitate prea mică din același element poate chiar cauza probleme de sănătate’, spune el.

‘Noțiunea de element este centrală în chimie și servește unui număr de scopuri’, spune Ghibaudi. ‘De exemplu, ea identifică ceea ce rămâne neschimbat într-un sistem supus unei transformări chimice și face distincția între schimbările chimice și cele nucleare. Așadar, pare rezonabil să ne așteptăm ca chimia să ofere o definiție lipsită de ambiguitate”. Poate, totuși?

Pământ, vânt și foc?

Ca și ideea de atomi, elementele suferă mai degrabă decât să beneficieze de o iluzie de continuitate într-o lungă tradiție de gândire. Povestea populară spune că vechii greci credeau că existau doar patru elemente – pământ, aer, foc și apă -, dar că începând din jurul secolului al XVIII-lea am început să apreciem că există mai mult de patru și că niciunul nu corespunde acestor elemente antice. Adevărul este mai complex. În primul rând, cele patru elemente atribuite lui Empedocle și consacrate în filozofia lui Aristotel nu au fost nici pe departe singura schemă pentru elementele de bază ale materiei în gândirea greacă. Iar înainte de epoca de aur a chimiei de la sfârșitul Iluminismului, sistemele de „elemente” erau destul de neclare. Medicul elvețian din secolul al XVI-lea, Paracelsus, a propus trei „principii” fundamentale: sulf, sare și mercur, în timp ce alte câteva scheme (inclusiv elemente fictive, cum ar fi flogistonul) s-au bucurat de un sprijin temporar.

Ar trebui ca fiecare izotop să ocupe un loc propriu în tabelul periodic?

De altfel, acestea nu erau neapărat alternative concurente. Ideea de element, ca și cea de atom, avea o conotație destul de variată și nu însemna neapărat un tip primar de materie. Cele trei principii ale lui Paracelsus, de exemplu, erau văzute mai mult ca proprietăți decât ca ingrediente: sulful reprezentând combustibilitatea, sarea soliditatea și mercurul fluiditatea.

Robert Boyle este celebrat, pe bună dreptate, pentru că a adus o oarecare claritate conceptului atunci când, în cartea sa din 1665, The Sceptical Chymist, a propus că un element este o substanță care nu poate fi redusă („analizată”) la ceva mai simplu. Dar definiția lui Boyle ne spune doar când avem un element, și nu ce este un element și ce îl deosebește pe unul de altul. Și este extrem de provizorie, ostatecă a capacităților tale analitice. Cum ai putea fi sigur că ai un element și nu doar un compus pe care nimeni nu a găsit încă o modalitate de a-l descompune în ingredientele sale? Într-adevăr, nu puteai, motiv pentru care oxizii greu de divizat, cum ar fi alumina și siliciul, apar ca elemente în listele din secolul al XVIII-lea, cum ar fi cea din influentul Traité Élémentaire de Chimie din 1789 al lui Antoine Lavoisier. Lavoisier l-a urmat pe Boyle în afirmația că un element reprezintă stadiul final al analizei.

John Dalton a adus ceva mai fundamental la definiția lui Lavoisier atunci când a afirmat în 1808 că proprietățile specifice ale elementelor derivă din cele ale atomilor lor constituenți, vizualizați ca particule mici, dure și sferice. Pe vremea lui Mendeleev, la mijlocul aceluiași secol, era recunoscut faptul că diferite elemente au greutăți atomice diferite, iar în întocmirea tabelului său periodic, Mendeleev a folosit o ordonare a elementelor în funcție de greutatea lor atomică. (El însuși a folosit termenul de „greutate elementară”, deoarece nu credea în atomi.)

Descoperirile radiochimiștilor, cum ar fi Soddy, și ale fizicienilor, cum ar fi Ernest Rutherford și Henry Moseley, au dus la înțelegerea, până în anii 1920, a faptului că cea mai fundamentală proprietate a atomilor unui element este numărul lor atomic Z – numărul de protoni din nucleele lor – care este același pentru toți atomii unui anumit element. Francis Aston a descoperit în 1922 izotopii, care au același Z, dar masă atomică diferită. Dar dacă Z diferă pentru doi atomi, aceștia sunt elemente diferite.

Ce înțelegem prin „carbon”? Diamant, un atom cu Z = 6 sau C60

La început, însă, izotopii au aruncat o pisică printre porumbei. ‘Descoperirea lor a fost o provocare pentru definiția unui element’, spune Ghibaudi. ‘A existat o dezbatere animată asupra conceptului de element chimic între chimiști și fizicieni. Întrebarea era dacă fiecare izotop ar trebui sau nu să ocupe un loc propriu în tabelul periodic’. În 1923, un comitet internațional a fost de acord să bazeze identificarea elementului chimic pe numărul atomic în loc de greutatea atomică.

Acesta, ați putea crede, ar fi putut fi sfârșitul problemei: elementele sunt definite de Z. Problema este că nu este chiar așa cum folosesc chimiștii cuvântul. Într-o lucrare fundamentală privind definirea elementelor din 1932, chimistul german Friedrich Paneth a admis două definiții diferite, pe care le-a numit Einfacher Stoff – tradus în mod obișnuit prin „substanță simplă” – și Grundstoff, sau „substanță primară/bază”. Prima se referă la noțiunea lui Lavoisier de substanță reală, fizică, care nu poate fi redusă prin metode chimice în ingrediente mai de bază, cea de-a doua la o noțiune abstractă: „oxigen”, să zicem, ca un tip de atom cu Z = 8.

Ghibaudi se îndoiește că am depășit dualismul lui Paneth chiar și acum. Iupac oferă în prezent o dublă definiție a cuvântului ‘element’ în ‘Cartea de aur’ a terminologiei chimice, care spune că acest cuvânt se poate referi fie la o ‘specie de atom’ (pe care Ghibaudi o vede ca fiind asemănătoare cu ‘substanța de bază’ a lui Paneth), fie, mai degrabă tautologic, la o ‘substanță elementară pură’.

Acest dublu sens este incomod. Căutați „oxigen” pe un site de elemente și probabil că vi se va spune că are Z = 8 și, poate, o anumită configurație electronică și o anumită poziție în tabelul periodic – dar și că este o substanță extrem de reactivă cu formula O2 și un punct de fierbere de -183°C. Potrivit chimistului Mark Leach, care conduce site-ul de resurse chimice meta-synthesis.com, aceasta este o confuzie neglijentă a două tipuri de date destul de diferite: una se referă la „substanța de bază” a lui Paneth (un ideal abstract), iar cealaltă la „substanța simplă” (o substanță reală). Cu siguranță că acest lucru nu poate fi bun?

Ceea ce este mai mult, spune Leach, întreaga noastră noțiune de tabel periodic amestecă în mod ciudat cele două. Ne-am putea imagina că este o tabulație de „substanțe de bază” – ceea ce este cam așa cum îl vedea Mendeleev. Dar întreaga noțiune de periodicitate se referă la proprietățile chimice reale ale unor substanțe reale: valențele din compușii chimici, proprietăți precum energia de ionizare, caracterul metalic și așa mai departe. „Dacă substanța de bază are doar proprietatea Z, există doar o listă simplă”, spune Leach. ‘De unde provine atunci structura tabelului periodic?”

Câteva interpretări populare ale tabelului periodic arată chiar fotografii ale formelor materiale ‘simple’ ale elementelor: diamant sau grafit pentru carbon și așa mai departe. Așadar, este un amalgam confuz – și poate că așa trebuie să fie. ‘Aveți nevoie de un compromis judicios atât al proprietăților de bază, cât și al celor simple pentru a-l construi’, spune Scerri.

Aceasta nu este o chestiune trivială. Încă se mai discută, de exemplu, dacă elementele de sub ytriu din grupa 3 ar trebui să fie lantan și actiniu, sau lutețiu și lawrenciu. Disputa se reduce la întrebarea dacă credeți că tabelul ar trebui să reflecte caracteristicile „fundamentale”, cum ar fi configurația electronică, sau cele observabile, cum ar fi comportamentul chimic. Aceste argumente devin și mai ambigue odată ce efectele relativiste (datorate vitezelor foarte mari ale electronilor din învelișul interior) încep să facă ravagii în ceea ce privește periodicitatea chimică în rândul elementelor supraponderale create de om.

Acest lucru devine greu

Aceasta nu este singura complicație pe care o introduc elementele super-elementelor grele. Confuzia cu privire la faptul dacă un element este „chestie” sau „concept” provine din faptul că, în trecut, ele au fost ambele. Dar oare un element nou are cu adevărat aceeași pretenție la realitate atunci când există doar ca o mână de atomi care sunt stabili pentru mai puțin de o secundă, așa cum este cazul unora dintre cele mai noi elemente artificiale, cum ar fi tennessina? Dacă elementele sunt parțial definite de proprietățile lor chimice, cum rămâne cu elementele care nu există suficient de mult timp pentru a se angaja într-o interacțiune chimică semnificativă și care, în orice caz, sunt realizate doar sub formă de ioni foarte încărcați care nu dobândesc niciodată un complement complet de electroni? „În ce sens sunt ele elemente dacă durează doar o milisecundă sau două?”, se întreabă Scerri. „Nu cred că vom putea vreodată să le punem în sticle.”

În ce sens sunt ele elemente dacă durează doar o milisecundă sau două?

Radiochimia a stat întotdeauna un pic neliniștită în grajdul chimiei. Un mod obișnuit de a gândi despre elementele chimice este ca fiind „cantitățile conservate” ale chimiei. Așa cum masa și energia nu sunt niciodată distruse în fizică (deși, bineînțeles, pot fi interconvertite), tot așa regula fundamentală de conservare a chimiei este că elementele persistă: nu ieșiți niciodată dintr-o reacție cu mai puțin carbon decât ați început. Dar în radiochimie, unde un element se poate descompune în altul, se întâmplă acest lucru. Dacă acest lucru face ca radiochimia să facă parte din chimie a fost disputat încă de la începuturile sale, când comitetele Nobel pentru fizică și chimie se întreceau pentru cine ar trebui să acorde premii unor oameni precum Curie și Rutherford (ambii „revendicați” acum pentru chimie în numele elementelor).

Acest război de teritorii nu s-a încheiat niciodată, după cum o demonstrează ultimele dispute dintre Uniunile Internaționale de Fizică și Chimie Pură și Aplicată (Iupap și Iupac) pentru cine ar trebui să se pronunțe asupra confirmării noilor elemente. Fizicienii spun că numai ei au suficientă expertiză pentru a judeca afirmațiile făcute în urma experimentelor de spargere a atomilor cu acceleratoare de particule. Dar chimiștii nu sunt fericiți să lase un alt grup să determine ce intră în cea mai de preț icoană a lor, tabelul periodic.

Oricine ar fi cel care se pronunță, aceste noi elemente nu sunt lucruri pe care să le poți ține în mână. Ele evidențiază noua relevanță a scărilor temporale. Se poate spune că orice fuziune de nuclee care durează mai mult decât scara de timp tipică a împrăștierii nucleare, în jur de 10-10 s, ar putea fi calificată ca formare a unui alt element. Dar oare o uniune măsurată în nanosecunde justifică cu adevărat acest lucru sau este doar un fel de rezonanță? Acesta este motivul pentru care, spune Schwarz, „atunci când vorbim despre elemente ar trebui să vorbim și despre scări temporale”. El se întreabă dacă un „element” nu ar trebui să fie cel puțin o entitate capabilă, în principiu, să formeze molecule. „Chimia este un meșteșug și o știință a materialelor reale”, adaugă el – dar „pentru fizicieni, un nucleu este un element”. Iupac, între timp, a anunțat recent noi criterii pentru descoperirea elementelor super grele care afirmă că scara temporală de existență pentru a se califica pentru statutul de element este de doar
10-14s.

Ceea în sine

Problema elementelor arată că, așa cum spune Scerri, chimia are nevoie de filosofie. „Problema „elementului chimic”, ca și alte probleme din chimie, cum ar fi noțiunile de substanță și structură, ridică probleme filozofice și, prin urmare, nu poate fi rezolvată fără a se baza pe idei din filozofie”, spune Ghibaudi. Într-un fel, întrebarea se întoarce direct la Platon, a cărui noțiune de forme intangibile „ideale” a stat la baza viziunii sale asupra entităților fizice reale. ‘Substanța de bază’ abstractă a lui Paneth este, de asemenea, discutată uneori în termenii noțiunii lui Immanuel Kant de Ding an sich – ‘lucrul în sine’, sau aspectul fundamental al realității dincolo de raza de acțiune a simțurilor noastre (failibile).

Conține oare definiția ‘de bază’ a unui element toate caracteristicile ‘simple’ din cadrul acestuia?

Dar dacă este o chestiune filosofică ce nu poate fi rezolvată prin empirism, poate că trebuie doar să alegem între „substanța de bază” a lui Paneth și „substanța simplă” ca definiție a unui element? Unii cercetători cred că da. Scerri, între timp, sugerează că natura unui element nu este pur și simplu dublă, ci triplă: ceea ce contează în ceea ce privește substanța unui element nu sunt doar proprietățile materiei prime, ci și proprietățile compușilor săi. La urma urmei, este una dintre minunile permanente ale chimiei faptul că, în clorura de sodiu, nu rămâne nicio urmă din metalul gri reactiv și din gazul verde otrăvitor.

Introducerea unei nomenclaturi distincte pentru definițiile „simplu” și „de bază”, astfel încât moleculele de dihidrogen să nu mai fie considerate ca fiind „elementul hidrogen”, ar necesita reformarea unui limbaj chimic profund înrădăcinat. Însă Sarah Hijmans, de la Universitatea Paris-Diderot din Franța, se întreabă dacă este nevoie să mergem atât de departe. Poate că, sugerează ea, am putea considera cuvântul „element” ca fiind unul care se bazează pe ambele definiții. Ea spune că, pe vremea lui Lavoisier, nu exista altă opțiune decât să se opteze pentru definiția analitică, deoarece nu înțelegeam aproape nimic despre ceea ce distinge elementele la nivel fundamental. Treptat, balanța a înclinat mai mult spre o definiție „fundamentală” în termeni de Z. Dar, în mod clar, punctul de vedere empiric, „chimic”, are încă valoare, așa cum ilustrează tabelul periodic.

Poate că întrebarea este dacă cele două sunt de fapt în conflict. Într-un sens, nu există nimic teribil de semnificativ pentru chimiști în legătură cu Z, din moment ce nucleul nu joacă aproape niciun rol direct în comportamentul chimic. Numărul de protoni este doar un indicator pentru ceea ce contează pentru chimie: numărul de electroni, precum și configurația și energiile acestora.

Dar acestea, având în vedere un anumit Z, sunt predeterminate de regulile mecanicii cuantice. Ele pot fi prezise. Și pornind de la aceste informații, la rândul lor, putem, în principiu, să prezicem multe comportamente chimice, cum ar fi ce fel de compuși va forma elementul. Putem chiar să prezicem proprietățile fizice ale unor elemente: forme alotropice, puncte de topire și așa mai departe. Așadar, definiția „de bază” a unui element conține toate caracteristicile „simple”, care vor fi dezvăluite pe măsură ce abilitățile noastre de calcul se îmbunătățesc?

Poate că, totuși, trebuie să acceptăm faptul că o anumită neclaritate va înconjura întotdeauna noțiunea de element. Și poate că acest lucru nu este atât de rău. Până la urmă, chimiștii sunt obișnuiți cu ea – așa cum a subliniat laureatul premiului Nobel Roald Hoffmann, ei folosesc mereu concepte care nu au o definiție unică și precisă, cum ar fi electronegativitatea și raza ionică, fără ca acest lucru să le diminueze valoarea pentru domeniu. ‘Neclaritatea a jucat un rol util în gândire’, spune Mahootian. Poate că ceea ce contează nu este neclaritatea în sine, argumentează el, ci să ne asigurăm că nu este o simplă neglijență.

Atunci, ce este carbonul? Răspunsul, spune Schwarz, ar putea depinde de persoana cu care vorbim. Pentru diferite audiențe și diferite scopuri, ar putea fi funinginea; ar putea fi elementul șase, ar putea fi un amestec natural de izotopi sau o componentă a metanului. Elementar, într-adevăr.

Philip Ball este un scriitor de știință cu sediul în Londra, Marea Britanie

.