Nel loro elemento: le donne della tavola periodica Understand article

Scoprite come delle scienziate hanno contribuito alla conoscenza degli elementi chimici – e quello che tutto ciò ci dice sulla natura del lavoro scientifico – di allora e di oggi.

Nel marzo 1869, il chimico russo Dmitri Mendeleev presentò il suo sistema periodico all’Accademia delle Scienze Russa (Gordin, 2004). Alla base di questo sistema c’era l’idea di Mendeleev di una legge periodica: una legge della natura che dimostrava la presenza di regolarità tra gli elementi. Il sistema di Mendeleev ha dimostrato di poter resistere ai nuovi sviluppi della scienza, dalla scoperta dei gas nobili e degli elementi radioattivi al mondo della fisica quantistica, e ora ha raggiunto il suo 150esimo anniversario.

Tuttavia, la storia della Tavola Periodica e dei suoi elementi ebbe inizio molto prima del 1869 – come pure la partecipazione delle donne a questa impresa collettiva. La storia di qualunque settore scientifico viene spesso raccontata dal punto di vista dei concetti e delle teorie principali, ignorando il lavoro sperimentale e le osservazioni inattese che hanno portato a questa comprensione teorica – ed è a questo aspetto relativamente trascurato al quale molte donne hanno dato i contributi più importanti. Come contrappunto a questa tendenza, in questo Anno Internazionale della Tavola Periodica^w1, guardiamo alle storie di alcune scienziate il cui lavoro ha contribuito in modo significativo alla nostra conoscenza degli elementi della tavola periodica.

18esimo secolo

Marie-Anne Lavoisier e il nuovo concetto di elemento chimico

La riforma della chimica che ebbe luogo in Francia intorno al 1780 viene spesso celebrata come la nascita della chimica moderna. Centrale a questa riforma fu l’aristocratico francese Antoine Lavoisier. Nel suo Méthode de nomenclature chimique (1787), Lavoisier e i suoi collaboratori diedero dei nomi nuovi e sistematici a tutti gli elementi conosciuti, e crearono un insieme di regole per la denominazione dei composti, valide ancora oggi. Lavoisier introdusse anche il concetto di elemento chimico come sostanza semplice – una sostanza che non può essere decomposta durante l’analisi chimica – e presentò una tavola di 33 elementi. Sebbene non tutti siano ancora oggi considerati elementi, l’era dei quattro elementi – terra, aria, fuoco e acqua – era definitivamente conclusa.

In un famoso dipinto, Lavoisier è ritratto con sua moglie, Marie-Anne: lui sta lavorando, e lei posa come sua musa ispiratrice. Però, c’è molto altro nella loro storia. Marie-Anne partecipò al lavoro scientifico di Antoine assistendolo nell’attività di laboratorio e nella gestione della sua corrispondenza, ospitando nel suo salotto eruditi gentiluomini e signore provenienti dall’estero, e traducendo lavori accademici da altre lingue al francese e illustrando testi scientifici.  Ebbe un ruolo anche nella diffusione della nuova chimica – in particolare dell’elemento ossigeno – traducendo e annotando criticamente un noto contributo alla teoria avversaria del ‘flogisto’ del chimico irlandese Richard Kirwan.

19esimo secolo

Jane Marcet porta gli elementi a conoscenza del pubblico

Nel 1806, alcuni decenni dopo la rivoluzione chimica, Jane Marcet, una donna svizzera che viveva a Londra, scrisse un testo di chimica che ebbe 16 edizioni in Gran Bretagna e almeno 23 in America, e fu tradotto in francese, tedesco e italiano (Dreifuss & Sigrist, 2012).

Scritto in forma di dialogo e rivolto alle donne, questo popolarissimo libro di testo ebbe un successo che trasformò la chimica in un nobile ed elegante argomento di interesse per il grande pubblico, donne e ragazze comprese. Il materiale della Marcet era piuttosto aggiornato: lei si basò sulla tavola periodica di Lavoisier, ma ma incluse anche i metalli alcalini e alcalino-terrosi recentemente scoperti (Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba) isolati da Humpry Davy. Menzionò anche gli elementi recentemente scoperti o isolati da Jöns Jacob Berzelius e dai suoi allievi (Ce, Th, Se, Si, Zr, Li, La, Er, Tb, V) come pure quelli scoperti da William Hyde Wollaston (Rh, Pd), Smithson Tennant (Os, Ir) e Charles Hatchett (il columbio, in seguito denominato niobio, Nb). Facendo parte della società scientifica londinese, riuscì attraverso le sue conoscenze a fornire una lista di elementi considerevolmente più lunga di quella di Lavoisier. Ma anche stando così le cose, la Marcet dovette pubblicare anonimamente le prime edizioni del suo libro.

Julia Lermontova e i platinoidi

Piuttosto diverso era lo status di Julia Lermontova, la prima donna in Germania (e una delle prime al mondo) ad essere insignita di un dottorato in chimica, nel 1874. Contemporanea di Dmitri Mendeleev, si formò ad Heidelberg sotto la guida di Robert Bunsen, lavorò con Wilhelm von Hoffman a Berlino, e conseguì il dottorato a Gottinga. La Lermontova portò avanti l’impegnativo lavoro sperimentale volto a trovare la giusta collocazione nel sistema periodico per gli elementi del gruppo del platino (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Questi elementi sono molto vicini l’uno all’altro per proprietà e pesi atomici, ma la necessità di avere pesi atomici precisi richiedeva che le sostanze venissero ottenute con la massima purezza. Questo compito richiedeva la ripetizione di precise metodiche analitiche, e un lavoro di questo tipo veniva spesso lasciato ai ‘soldati di fanteria’ come la Lermontova. I contributi di questo esercito ombra di chimici – molti dei quali donne – che erano richiesti per ottenere elementi puri o pesi atomici precisi vengono spesso dimenticati, ma sono una dimostrazione delle le autentiche sfide affrontate da Mendeleev e dai suoi contemporanei per organizzare tutti gli elementi conosciuti in un sistema significativo. Il lavoro non pubblicato della Lermontova rimase a lungo sconosciuto agli storici, ma fu poi riscoperto negli archivi di Mendeleev quasi 100 anni più tardi.

20esimo secolo

Marie Curie e gli elementi radioattivi

Benché il lavoro di Marie Curie sia ben conosciuto, riesce ancora a sorprendere: fin dalla scoperta del polonio e del radio fatta assieme al marito, Pierre Curie, e al loro collega Gustave Bémont nel 1898, Marie Curie e collaboratori dovettero trattare, con meticolose analisi chimiche, tonnellate del minerale pechblenda per arrivare ad ottenere 0.1 g di cloruro di radio nel 1902 (Quinn, 1995). In questo caso, la donna del gruppo, Marie, era sposata con uno scienziato, Pierre, ma essi portarono avanti progetti di ricerca indipendenti fino a quando Pierre non si rese conto del potenziale che c’era nel lavoro di Marie sulla radioattività, e si associò a lei nell’attività di laboratorio. In questo esempio, la figura dimenticata non è un’assistente donna, ma piuttosto il chimico maschio, Bémont.

Ida Noddack-Tacke e il renio

La chimica tedesca Ida Noddack-Tacke affrontò lo stesso sfinimento provato da Marie Curie quando isolò uno dei metalli più rari della Terra, il renio (Van Tiggelen, 2001). L’annuncio della scoperta del renio fu fatto nel 1925 da Ida Tackle e dal suo futuro marito, Walter Noddack (con l’aiuto di Otto Berg, un’altra figura maschile dimenticata), ma ci vollero altri tre anni affinché venissero ottenuti i primi 120 mg di renio puro, seguiti dalla prima misurazione del suo peso atomico nel 1929. Nel frattempo, la coppia di scienziati aveva individuato le località che secondo loro avrebbero fornito minerali ricchi in renio, aveva viaggiato in alcuni di questi luoghi, e trattato migliaia di campioni di minerali per isolare l’elemento. Pagine e pagine di appunti di laboratorio testimoniano il lavoro noioso e ripetitivo che non sempre dava i risultati sperati. Come i Curie, anche i Noddack erano una coppia collaborativa, anche se la carriera di Ida rimase , sia sul piano economico che accademico, nell’ombra di quella del marito.

Stefanie Horovitz e la prova dell’esistenza dei radioisotopi

Il lavoro della chimica Ebrea-Polacca Stefanie Horowitz ha fornito la prima prova autorevole del concetto di isotopi. Quest’idea – che lo stesso elemento potesse avere pesi atomici differenti – fu suggerita dal chimico britannico Frederick Soddy nel 1913 usando un termine coniato da una donna medico britannica, Margaret Todd. A quel tempo, erano stati scoperti circa 35 ‘elementi’ radioattivi – molti di più di quanti erano gli spazi vuoti lasciati per loro nel sistema periodico. Il concetto di isotopi avrebbe risolto questo crescente problema, dato che in seguito molti dei nuovi elementi radioattivi si sarebbero rivelati isotopi di elementi conosciuti. Tuttavia, il concetto in sé fu accolto inizialmente con un certo scetticismo.

Per supportare la teoria a favore degli isotopi, Soddy suggerì una base per l’indagine sperimentale: se il piombo poteva presentarsi sotto forma di diversi isotopi, allora il piombo che derivava dall’uranio avrebbe dovuto avere un peso atomico diverso da quello del piombo ordinario. Nel 1914, alla Horovitz furono assegnate queste ricerche dal suo supervisore, Otto Hönigschmid, al Radium Institute di Vienna. Passò quindi molti giorni a isolare campioni molto puri di piombo da minerali di uranio radioattivi, proseguendo poi con precise misurazioni gravimetriche per determinarne i pesi atomici. Il suo meticoloso lavoro fornì delle differenze nei pesi atomici che andavano al di là dell’errore sperimentale, confermando così l’esistenza degli isotopi.

Lavorando con Honigschmid, la Horovitz aiutò anche a confutare l’esistenza di quello che si supponeva fosse un nuovo elemento, lo ionio, dimostrando che aveva le stesse proprietà spettroscopiche e chimiche del torio, e che differiva dal torio ordinario solo per il peso atomico. Lo ionio venne quindi identificato come un isotopo del torio (Th-230).

Ellen Gleditsch e gli isotopi oltre i radioelementi

Sebbene fosse nata e avesse studiato in Norvegia, Ellen Gleditsch acquisì  esperienza nella misura della radioattività inizialmente con un tirocinio nel laboratorio di Marie Curie a Parigi (Lykknes, 2005). Da lì, si trasferì all’Università di Yale, USA, dove con il suo lavoro stabilì un valore per la semivita del ‘radio’ (più tardi identificato come l’isotopo radio-226). Pubblicato nel 1915, questo valore fornì un’importante costante scientifica, in quanto il radio fu considerato come la sostanza standard in questo campo di ricerca.

Più tardi, all’Università di Harvard, USA, la Gleditsch (come la Horowitz) venne coinvolta nelle ricerche sugli isotopi. Era noto che il peso atomico degli elementi radioattivi (o di quelli che derivavano dal decadimento radioattivo) poteva variare in funzione della loro provenienza geologica. Per esempio, nei minerali naturalmente ricchi di torio, l’abbondanza di piombo-208 faceva innalzare il peso atomico del piombo, mente nei minerali ricchi di uranio (dove si produce piombo-206), il peso atomico del piombo veniva abbassato. Si pensava però che questa variabilità si verificasse solo per gli elementi associati alla radioattività, e non con gli elementi comuni più leggeri.

Ma nel 1919, l’invenzione da parte di Francis Aston dello spettrometro di massa, che permetteva separazioni molto accurate in funzione di massa atomica e carica, mise alla prova questo assunto. Quando Aston annunciò di aver trovato due masse atomiche distinte per il cloro (35 e 37) con una massa atomica media di 35.46, la sua affermazione fu accolta con scetticismo – come se anche in questo caso la composizione isotopica dovesse variare con la provenienza. L’intero concetto di massa atomica costante, sul quale era stato costruito il sistema periodico, sembrava essere in pericolo.

Quando la Gleditsch e i suoi collaboratori studiarono campioni di cloro di diversa provenienza, scoprirono che la composizione isotopica del cloro, in realtà, non variava in funzione dell’origine. Irène Curie (figlia di Pierre e Marie) a Parigi aveva ottenuto un risultato diverso, ma la Gleditsch arrivò alla conclusione che i campioni della Curie dovevano essere stati contaminati. Il peso atomico del cloro era quindi costante, dopo tutto, e la minaccia al concetto di pesi atomici stabili fu sconfitta.

Complessità e collaborazione

Nel corso della storia del sistema periodico, le donne hanno dato svariati contributi ai suoi fondamenti scientifici: nei salotti del 18esimo secolo; come traduttrici di lavori scientifici; come autrici di libri di testo e divulgatrici; come mogli, sorelle e figlie che collaboravano; come assistenti di ricerca, insegnanti e docenti universitarie; e in laboratori, scuole, case ed industrie (Watts, 2007). Le storie individuali di donne che hanno contribuito ad una nuova conoscenza degli elementi mostrano che il lavoro scientifico è complesso e sfaccettato, e che si basa sulla collaborazione. Così, queste storie non solo portano alla luce i contributi meno conosciuti che le donne (e alcuni uomini) hanno dato alla scienza: esse esprimono anche quella che è la vera natura della scienza e del lavoro scientifico.

Ringraziamenti

Gli autori dell’articolo desiderano ringraziare tutti gli altri autori che hanno scritto storie di donne ed elementi nel volume di imminente pubblicazione Women in their Element: Selected Women’s Contributions to the Periodic System (pubblicato da World Scientific, agosto 2019). Uno speciale ringraziamento va ai seguenti autori: Patrice Bret and Keiko Kawashima, Gisela Boeck, Peter Childs, John Hudson, Marelene e Geoffrey Rayner-Canham, e Xavier Roqué.

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