La canzone di Tom Lehrer, ‘The Elements’, inizia con ‘C’è antimonio, arsenico, alluminio, selenio…’. Da quando l’ha composta, l’umanità ha creato diversi elementi artificiali oltre ai 92 che si trovano in natura. Ora ci sono 118 elementi e periodicamente vediamo persone che pongono una domanda semplice ma profonda: è possibile creare una molecola che contenga tutti gli elementi? La risposta, inizialmente, è no. Ma le ragioni per cui non si può sono complesse e varie: alcune derivano dalla struttura chimica, altre dall’instabilità, con un pizzico di fisica fondamentale che non si vuole sfidare.
La molecola pan-atomica
Invece di guardare perché non possiamo assemblarla, immaginiamo di poterla assemblare per magia e vediamo quanto velocemente si disintegra. Quindi, passando da oganesson a idrogeno, abbiamo la nostra tanto desiderata e bellissima molecola pan-atomica che appare davanti ai nostri occhi. Ma prima di poterla apprezzare, è probabile che vedremo alcuni grandi lampi di luce, alcune fiamme e una buona quantità di gas tossico. Sul pavimento ci saranno fuliggine, ruggine e metalli. La ragione principale per cui la molecola si disintegra è che molti degli elementi più pesanti non sono stabili. L’oganesson, che è il numero 118, ha un’emivita di 0,7 millisecondi. Il numero 116, livermorio, può durare oltre 10 volte di più, ma ancora appena sopra la percezione umana di un intervallo di tempo. Queste molecole si disintegreranno prima che ce ne rendiamo conto, con gli elementi più pesanti che decadono e possibilmente avviando una reazione a catena con gli elementi radioattivi, che sono più stabili. Bang, flash, fizzle…
Il problema con la chimica
Poiché la magia non è reale, un buon modo per creare questa molecola sarebbe assemblarla dai componenti più piccoli. Iniziamo con l’idrogeno, l’elemento più leggero e comune nell’universo. Lo troviamo ovunque ed è amichevole con molti altri elementi! Una grande scelta per iniziare. E poi incontriamo l’elio. Il secondo elemento più leggero è un gas nobile, una classe di elementi che non ha bisogno di creare composti molecolari poiché non ha problemi di instabilità. È possibile, in determinate condizioni, ad esempio nello spazio esterno, che l’elio e altri gas nobili diventino parte di composti. Un composto stabile di elio è stato creato alcuni anni fa, ma solo sotto una pressione incredibile. In termini semplicistici, gli elementi chimici si legano condividendo o cedendo elettroni, in modo che i loro orbitali elettronici siano nelle configurazioni più stabili. Alcuni elementi sono disperati di farlo e sono molto reattivi; altri, come i gas nobili o l’oro o il platino, non tanto.
Tutto si riduce alla termodinamica
Che dire di prendere tutti gli elementi stabili e mescolarli insieme? O magari fonderli in un’unica cosa, sotto pressione, e lasciarli raffreddare? Non potrebbe funzionare? Purtroppo, il boss finale di tutti gli esperimenti ipotetici in fisica non può essere sconfitto. Stiamo parlando, ovviamente, della termodinamica. I sistemi nell’universo tendono all’equilibrio e anche a essere nello stato di energia più basso possibile. Che tu stia cercando di attaccare semplicemente gli elementi l’uno all’altro o di fonderli in qualche crogiolo speciale, la termodinamica vincerà. I composti più piccoli e semplici saranno più stabili e più facili da realizzare rispetto a quelli più complessi. Questo non significa che non possano essere realizzati composti vari e complessi. Ci sono esempi di sostanze naturali che dimostrano che la complessità accade. Prendiamo, ad esempio, la vitamina B12. È composta da sei elementi diversi: carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, cobalto e fosforo. Oppure il minerale sfalerite, la cui struttura di base di solfuro di zinco può ospitare impurità di altri elementi, con cadmio, mercurio, manganese, gallio, germanio e indio al posto dello zinco, e selenio e tellurio al posto dello zolfo. Ma una molecola con sei elementi diversi o un minerale con il potenziale per molte impurità non crea questa molecola pan-atomica che vogliamo. La natura semplicemente non vuole che siamo completisti.