Quando chegaremos ao fim da tabela periódica?

Professores de química recentemente tiveram que atualizar sua decoração de sala de aula, com o anúncio de que os cientistas confirmaram a descoberta de quatro novos elementos na tabela periódica. Os elementos ainda sem nome 113, 115, 117 e 118 preenchem as lacunas remanescentes no fundo da famosa carta - um roteiro dos blocos de construção da matéria que guiou os químicos com sucesso por quase um século e meio.

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A confirmação oficial, concedida pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), levou anos, pois esses elementos superpesados ​​são altamente instáveis ​​e difíceis de criar. Mas os cientistas tinham fortes razões para acreditar que existiam, em parte porque a tabela periódica tem sido notavelmente consistente até agora. Esforços para conjurar os elementos 119 e 120, que iniciariam uma nova linha, já estão em andamento.

Mas exatamente quantos outros elementos estão por aí continua sendo um dos mistérios mais persistentes da química, especialmente porque nosso entendimento moderno da física revelou anomalias até mesmo nos atores estabelecidos.

"As rachaduras estão começando a aparecer na tabela periódica", diz Walter Loveland, químico da Universidade Estadual do Oregon.

A encarnação moderna da tabela periódica organiza elementos por linhas baseadas no número atômico - o número de prótons no núcleo de um átomo - e por colunas baseadas nas órbitas de seus elétrons mais externos, que por sua vez geralmente ditam suas personalidades. Metais macios que tendem a reagir fortemente com outros, como lítio e potássio, vivem em uma coluna. Elementos reativos não metálicos, como flúor e iodo, habitam outro.

O geólogo francês Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois foi a primeira pessoa a reconhecer que os elementos poderiam ser agrupados em padrões recorrentes. Ele exibiu os elementos conhecidos em 1862, ordenados por seus pesos, como uma espiral enrolada em torno de um cilindro ( veja a ilustração abaixo ). Elementos verticalmente alinhados entre si neste cilindro tinham características semelhantes.

Mas foi o esquema organizacional criado por Dmitri Mendeleev, um russo de temperamento quente que afirmava ter visto agrupamentos de elementos em um sonho, que resistiram ao teste do tempo. Sua tabela periódica de 1871 não era perfeita; previu oito elementos que não existem, por exemplo. No entanto, também previu corretamente o gálio (agora usado em lasers), germânio (agora usado em transistores) e outros elementos cada vez mais pesados.

A tabela periódica de Mendeleev aceitou facilmente uma nova coluna para os gases nobres, como o hélio, que havia escapado à detecção até o final do século XIX por causa de sua propensão a não reagir com outros elementos.

A tabela periódica moderna tem sido mais ou menos consistente com a física quântica, introduzida no século XX para explicar o comportamento de partículas subatômicas como prótons e elétrons. Além disso, os grupos se mantiveram, principalmente, quando elementos mais pesados ​​foram confirmados. Bohrium, o nome dado ao elemento 107 após sua descoberta em 1981, se encaixa tão bem com os outros chamados metais de transição que o cercam, um dos pesquisadores que descobriu que ele proclamava que "bohrium é chato".

Mas tempos interessantes podem estar por vir.

Uma questão em aberto diz respeito ao lantânio e ao actínio, que têm menos em comum com os outros membros de seus respectivos grupos do que o lutécio e o lawrencium. Recentemente, a IUPAC nomeou uma força-tarefa para analisar essa questão. Mesmo o hélio, elemento 2, não é simples - existe uma versão alternativa da tabela periódica que coloca hélio com berílio e magnésio em vez de seus nobres vizinhos a gás, com base nos arranjos de todos os seus elétrons, e não apenas dos mais externos.

"Há problemas no começo, no meio e no fim da tabela periódica", diz Eric Scerri, historiador do departamento de química da Universidade da Califórnia, em Los Angeles.

A teoria da relatividade especial de Einstein, publicada décadas depois da mesa de Mendeleiev, também introduziu algumas falhas no sistema. A relatividade dita que a massa de uma partícula aumenta com sua velocidade. Isso pode fazer com que os elétrons negativamente carregados que orbitam o núcleo carregado positivamente de um átomo se comportem de maneira estranha, afetando as propriedades de um elemento.

Considere o ouro: o núcleo está repleto de 79 prótons positivos, então, para não cair para dentro, os elétrons do ouro precisam girar a mais da metade da velocidade da luz. Isso os torna mais massivos e os puxa para uma órbita mais forte e com menos energia. Nesta configuração, os elétrons absorvem a luz azul em vez de refleti-la, dando às alianças seu brilho distinto.

Diz-se que o notório físico Richard Feynman, que pratica bongos, invocou a relatividade para predizer o fim da tabela periódica no elemento 137. Para Feynman, 137 era um "número mágico" - surgira sem motivo óbvio em outros lugares da física. Seus cálculos mostraram que os elétrons em elementos além de 137 teriam que se mover mais rápido que a velocidade da luz, e assim violar as regras da relatividade, para evitar colidir com o núcleo.

Cálculos mais recentes, desde então, derrubaram esse limite. Feynman tratou o núcleo como um único ponto. Permitir que seja uma bola de partículas, e os elementos podem continuar até cerca de 173. Então todo o inferno se solta. Átomos além deste limite podem existir, mas apenas como estranhas criaturas capazes de invocar elétrons do espaço vazio.

A relatividade não é o único problema. Os prótons positivamente carregados se repelem, então quanto mais você acumula um núcleo, menos estável ele tende a ser. O urânio, com um número atômico de 92, é o último elemento estável o suficiente para ocorrer naturalmente na Terra. Cada elemento além dele tem um núcleo que se desfaz rapidamente, e suas meias-vidas - o tempo que leva para a metade do material se decompor - podem ser minutos, segundos ou até mesmo segundos.

Elementos mais pesados ​​e instáveis ​​podem existir em outras partes do universo, como dentro de densas estrelas de nêutrons, mas os cientistas podem estudá-las aqui apenas quebrando átomos mais leves para fazer os mais pesados ​​e depois peneirando a cadeia de decaimento.

"Nós realmente não sabemos qual é o elemento mais pesado que poderia existir", diz o físico nuclear Witold Nazarewicz, da Michigan State University.

A teoria prevê que haverá um ponto em que nossos núcleos feitos em laboratório não viverão o suficiente para formar um átomo adequado. Um núcleo radioativo que desmorona em menos de dez trilhonésimos de segundo não teria tempo de coletar elétrons em volta de si e criar um novo elemento.

Ainda assim, muitos cientistas esperam que as ilhas de estabilidade existam mais abaixo na estrada, onde os elementos superpesados ​​têm núcleos de vida relativamente longa. Carregar certos átomos superpesados ​​com muitos nêutrons extras poderia conferir estabilidade, impedindo que os núcleos ricos em prótons se deformassem. Espera-se que o elemento 114, por exemplo, tenha um número magicamente estável de nêutrons em 184. Os elementos 120 e 126 também foram previstos para ter o potencial de serem mais duráveis.

Mas algumas alegações de estabilidade superpesada já caíram. No final dos anos 60, o químico Edward Anders propôs que o xenônio em um meteorito que caiu em solo mexicano veio do colapso de um elemento misterioso entre 112 e 119 que seria estável o suficiente para ocorrer na natureza. Depois de passar anos estreitando sua busca, ele finalmente retratou sua hipótese nos anos 80.

Prever a estabilidade potencial dos elementos pesados ​​não é fácil. Os cálculos, que exigem um tremendo poder de computação, não foram feitos para muitos dos jogadores conhecidos. E mesmo quando eles têm, este é um território muito novo para a física nuclear, onde até mesmo pequenas mudanças nos insumos podem ter impactos profundos nos resultados esperados.

Uma coisa é certa: fazer com que cada novo elemento se torne mais difícil, não apenas porque os átomos de vida mais curta são mais difíceis de detectar, mas porque fazer super-vidas pode exigir feixes de átomos que são radioativos. Quer haja ou não um fim para a tabela periódica, pode haver um fim à nossa capacidade de criar novas.

"Acho que estamos muito longe do fim da tabela periódica", diz Scerri. "O fator limitante agora parece ser a engenhosidade humana".

Nota do Editor: A afiliação de Witold Nazarewicz foi corrigida.

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