Teoría atómica
Aunque ninguno de nosotros se despierta por la mañana y piensa en que nuestro pijama, nuestra cama, nuestro suelo, nuestra casa y nuestro desayuno están compuestos por átomos, es algo que todos «sabemos», lo hemos aprendido en clase de ciencias. Cuando Dupont creaba anuncios de televisión que prometían «una vida mejor gracias a la química», todos entendíamos de manera innata que la química era posible porque los científicos podían descomponer los objetos en átomos y reorganizarlos de manera diferente.
En muchos sentidos la ciencia de los átomos aún está en su infancia. Tan solo han pasado cien años —durante lo que ha llegado a conocerse como el «año milagroso» de Einstein (véase el capítulo 13)— desde que los científicos verificaron el hecho de que los átomos eran reales. Pero a pesar de la relativa juventud de la ciencia, nuestras vidas diarias han cambiado inmensamente gracias a lo que hemos aprendido. Vuestros encuentros diarios con los milagros de la química podrían llenar muchas páginas de este libro, así que basta decir que los complejos vitamínicos que tomas por las mañanas, la lycra de los pantalones de deporte, la mezcla química de gasolina que pones en el coche, el compuesto de madera del pupitre, y el delicioso pastel que tú u otro familiar cocina para el postre el fin de semana son posibles porque hemos entendido la química. Si nos alejamos de la vida cotidiana, podemos pensar en la composición química de la piel del transbordador espacial, la creación milagrosa de innumerables medicinas y la belleza de los fuegos artificiales durante el 4 de julio.
Desde que los humanos comenzaron a usar el fuego hace 1,5 millones de años, hemos sabido cómo producir y controlar las reacciones químicas. Lo que nos faltaba era entender cómo funcionaban. Hizo falta descubrir los átomos —los ladrillos de la naturaleza— para comenzar a desarrollar un programa de cómo conseguir que esas reacciones químicas pudiesen funcionar de manera aún más efectiva. La teoría atómica, el descubrimiento y comprensión de los átomos y cómo interaccionan, es una de las teorías más importantes en la historia de la ciencia. Pero ¿cómo se concibe o descubre algo que es demasiado pequeño como para ser visto?
Desde el principio, la gente entendió que las substancias que se podían comer eran diferentes de las que se usan para construir una cabaña, pero les faltaba entender en qué consistían esas substancias. Un filósofo y científico griego del siglo V a. C., Empedocles, creía que toda la materia estaba compuesta por cuatro elementos (o como él los llamada, «raíces»): fuego, aire, agua y tierra, y era la proporción en la mezcla de estos elementos lo que causaba la diferenciación. Un conejo contenía más agua que fuego, por eso era suave y tenía vida, mientras que una piedra dura e inanimada estaba principalmente compuesta por el elemento tierra. El reconocimiento de que las substancias —incluso aquellas como la piedra que parecían «puras»— estaban hechas de una combinación de elementos fue un gran paso en el campo científico.
Unas décadas más tarde, otro griego adelantó una idea que podría haber cambiado el mundo; pero el mundo no estaba listo para ella. Demócrito (460-370 a. C.) comprendió que uno de los problemas de la teoría de Empedocles era que no importa las veces que rompas una roca, nunca llegas a conseguir nada que se parezca a los elementos. Demócrito sugirió que si continuases rompiendo la piedra en trozos cada vez más pequeños, finalmente llegarías a un punto donde los pedazos serían tan pequeños que no podrían ser divididos. Demócrito llamó a estos diminutos trozos átomos, que significa «indivisible», y teorizó que los átomos de piedra eran únicos de la piedra, y los átomos de la piel eran únicos de la piel.
Desafortunadamente para el mundo, Aristóteles y Platón no estaban de acuerdo con Demócrito. A Aristóteles, que era muy influyente, le preocupaba la falta de pruebas y sostuvo que la idea de Empedocles sobre los elementos —fuego, aire, agua, tierra— era más probable. Como resultado, la teoría de Demócrito de los átomos nunca ganó peso.
Algo que quizá hayas olvidado de tu clase de ciencias
Hoy tenemos una definición científica muy diferente de la palabra «elemento». En 1660, Robert Boyle (1627-1691) reconoció que la definición griega de elemento (tierra, fuego, aire y agua) no era correcta. Boyle propuso una nueva definición del elemento como una sustancia fundamental, y hoy definimos a los elementos como sustancias fundamentales que están constituidas por átomos que todos tienen el mismo número de protones y que no pueden ser descompuestas por procedimientos químicos.
Un átomo hoy en día se define como una única unidad de un elemento. El átomo es la unidad más básica de la materia que compone todo en el mundo que nos rodea, y cada átomo retiene todas las propiedades físicas y químicas de su elemento matriz. Ahora sabemos que los átomos consisten de protones con carga positiva, neutrones con carga neutra y electrones con carga negativa.
La mayoría de las cosas que nos rodean son compuestas, sustancias formadas por la combinación química de dos o más clases de átomos. La partícula más pequeña de un compuesto es una molécula, que consiste de dos o más átomos.
Frontispicio y página (el título de la obra «Lezioni accademiche d’Evangelista Tórricelli…», publicada en 1715.
Página de título y página de la primera sección de la obra «Hydrodynamica» de Daniel Bernoulli, publicada en 1738
Tuvieron que pasar dos mil años para que alguien volviera a estudiar de manera útil la pregunta: ¿de qué están hechas las cosas? Fue de hecho un alumno de Galileo quien realizó unos descubrimientos muy importantes.
En 1643, Evangelista Torricelli, un matemático italiano, descubrió que el aire pesaba —demostró que el aire era capaz de empujar una columna de mercurio líquido (inventando de este modo el barómetro)—. Más tarde un matemático suizo, Daniel Bernoulli (1700-1782), llevó a cabo un estudio sobre la forma en la que el aire se movía sobre el ala de un pájaro. Determinó que el aire y otros gases daban empuje al ala porque consisten de pequeñas partículas demasiado pequeñas como para ser vistas. Supuso que las partículas estaban sueltas en un volumen vacío de espacio y que no podían sentirse porque las pequeñas partículas se apartaban cuando una mano o un cuerpo humanos se movían entre ellas. Razonó que si estas partículas no estaban en constante movimiento, se aposentaban como el polvo, de modo que sugirió que se movían continuamente y rebotaban entre sí. (¡Un pensamiento muy ingenioso!)
En 1773, el inglés Joseph Priestly descubrió que cuando el óxido de mercurio, una roca roja sólida, se calentaba podía convertirse en dos substancias; un metal líquido plateado y un gas. Esto fue una prueba clave necesaria para que los científicos comenzaran a entender que las sustancias podían combinarse o descomponerse para formar nuevas sustancias con diferentes propiedades. El problema era ahora saber cuáles eran los componentes básicos al descomponerse las sustancias. Nadie hasta entonces lo había determinado.
El que lo consiguió fue John Dalton (1766-1844), un profesor británico que se especializó en observar la climatología, y que expuso la primera teoría atómica moderna. La observación de Dalton del clima le condujo de hecho a desarrollar su teoría. Dalton vio que el agua, en forma de niebla, podía existir como gas que se mezclaba con el aire, sin embargo cuando el agua se congelaba, era sólida y tenía que existir de manera separada. Dalton se preguntó por qué podía el agua a veces comportarse como un sólido y a veces como un gas. Realizó una serie de experimentos mezclando gases para determinar qué efecto tenían las propiedades de gases individuales en las propiedades de la mezcla en su conjunto y, gracias a estos experimentos, llegó a creer en la existencia de los átomos.
También comenzó a comprobar que la mayoría de las cosas podían descomponerse quemándolas o sumergiéndolas en ácido o por algún otro procedimiento. Cuando se encontraba con algo que no podía ser descompuesto, lo llamaba elemento (oxígeno, oro, azufre, hierro, etc…) Dalton pronto comenzó a comprender que los productos químicos tenían una proporción precisa de elementos. El agua —sin importar de donde viniese— siempre tiene una proporción de 2:1 de hidrógeno y oxígeno. Dalton supuso que cada elemento químico es representado por su propio átomo y que estos átomos se combinan de formas simples. El agua (H2O) se compone de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, por ejemplo.
Dalton llegó a la conclusión de que la teoría de Bernoulli de las pequeñas partículas era correcta, pero que la teoría se aplicaba a toda la materia: gases, sólidos y líquidos. Aunque expuso por primera vez sus ideas en 1803, su artículo sobre el tema, A New System of Chemical Philosophy [Un nuevo sistema de filosofía química], no se publicó hasta 1808. Para entonces, Dalton había desarrollado cuatro conceptos principales de teoría atómica:
Aunque algunos de los detalles de la teoría atómica original de Dalton son incorrectos, los conceptos fundamentales de ella —que las reacciones químicas pueden explicarse por la unión y separación de átomos y que estos átomos tienen propiedades características— son las bases de la ciencia moderna. Como muchas ideas nuevas en la ciencia, hicieron falta cincuenta años para que todo el mundo aceptara esta teoría.
A pesar incluso de que los científicos estaban de acuerdo sobre la teoría atómica, se daban cuenta de que los átomos estaban compuestos de sustancias aún más pequeñas.
Hasta finales del siglo XIX, el modelo aceptado de átomo era como una bola de billar, una pequeña esfera sólida. En 1897 J. J. Thompson (1856-1940) descubrió el electrón. Mientras trabajaba con tubos de rayos catódicos, Thompson descubrió que cuando una corriente eléctrica pasaba a través del tubo, se podía percibir una corriente de material brillante. Notó que si había cerca una placa metálica cargada con corriente positiva, la corriente brillante se inclinaba hacia ella. Thompson decidió que el chorro estaba hecho de pequeñas partículas, trozos de átomos que llevaban una carga negativa (electrones). Este descubrimiento cambió drásticamente la visión moderna del átomo y llegó a conocerse como el «modelo de budín de pasas», que Thompson propuso antes del descubrimiento del protón o del neutrón. En este modelo, el átomo está compuesto por electrones rodeados por una sopa de carga positiva, como pasas rodeadas por el budín. Pensaba que los electrones estaban posicionados de manera uniforme a través del átomo. Aunque supuso un avance para la ciencia, pronto sería desacreditada por el experimento con lámina de oro de Rutherford (véase más abajo).
Ernest Rutherford. (Library of Congress)
A pesar de que los científicos seguían realizando descubrimientos, aún no había manera de ver a los átomos, de modo que el debate continuó sobre si eran teoría o reales. Finalmente Albert Einstein (véase el capítulo 13) acabó con el debate en 1905 cuando explicó un fenómeno llamado el movimiento browniano. Cuando una pequeña partícula como un grano de polen es suspendida en un líquido y se observa a través de un microscopio, podemos ver que se mueve siguiendo un camino aleatorio. Einstein explicó que la partícula se movía debido a las colisiones con los átomos. Einstein además pudo explicarlo matemáticamente. Sin embargo, no se pudo documentar visualmente hasta 1980. «¡Sonríe!» debió de ser la palabra clave en el laboratorio de la Universidad de Heidelberg en Alemania, donde finalmente se pudo obtener la primera fotografía de un átomo individual.
En 1908 Ernest Rutherford realizó una serie de experimentos con partículas radioactivas alfa en lo que se conocería como «el experimento de la lámina de oro». Al lanzar pequeñas partículas alfa contra objetos sólidos como una lámina de oro, vio que, aunque la mayoría de las partículas alfa pasaban a través en ángulo siguiendo un camino en línea recta, un número menor rebotaban hacia atrás, como si hubiesen chocado contra una pared. El experimento de Rutherford sugería que la lámina de oro —y la materia en general— tenía agujeros, ya que dejaba pasar la mayoría de las partículas aunque unas pocas rebotaban.
Entonces, en 1911, Rutherford sugirió que los átomos consisten en un pequeño núcleo denso de partículas con carga positiva o núcleo del átomo, rodeado por un anillo de electrones que giran. El núcleo es tan denso y cargado positivamente que las partículas alfa con carga positiva rebotan, pero los electrones son tan pequeños y están tan dispersos que las partículas alfa pueden pasar por esa parte del átomo. La visión de Rutherford se asimilaba a un pequeño sistema solar con el núcleo de carga positiva siempre en el centro y los electrones girando alrededor de él. (A las partículas con carga positiva en el núcleo se les llamó protones, y tenían una carga similar pero opuesta a la de los electrones). Para dar una idea de la cantidad de espacio vacío dentro de un átomo, los profesores a menudo usan la analogía del Yankee Stadium: Si una bola (más pequeña que una bola de béisbol) se coloca en el montículo del lanzador representando el núcleo de un átomo de hidrógeno, tendrías que caminar hasta el borde del estadio para toparte con los electrones.
En 1932, James Chadwick (1891-1974) descubrió un tercer tipo de partícula subatómica que llamó neutrón. Los neutrones ayudan a estabilizar a los protones en el núcleo del átomo. Ya que el núcleo está tan densamente compuesto, los protones de carga positiva se repelerían unos a otros. Los neutrones, que siempre tienen carga neutra, ayudan a reducir la repulsión y a estabilizar el núcleo del átomo.
En 1915, Niels Bohr (1885-1962) desarrolló aún más la teoría atómica gracias a su modelo de átomo, que pronto condujo al desarrollo de la teoría cuántica moderna.
Los científicos comenzaron a sospechar que los átomos podrían estar compuestos por partículas aún más pequeñas llamadas quarks, y el debate sobre el asunto recordó al de los átomos. Pero esa es otra historia.
¡No digáis que los científicos no tienen sentido del humor!
Un neutrón entra en un bar y pregunta por el precio de una bebida. «Para usted nada», contesta el camarero.
¿Qué le dice un protón a un neutrón? «Intenta ser más positivo».
¿Qué le dice un neutrón a un electrón? «Eres muy negativo».
El peso de un átomo se determina aproximadamente por el número total de protones y de neutrones. Mientras que los protones y los neutrones tienen más o menos el mismo tamaño, los electrones son 1800 veces más pequeños que estos dos.
Los átomos de diversos elementos se distinguen por el número de protones que tienen (el número de protones es constante en todos los átomos de un mismo elemento; el número de neutrones y de electrones puede variar bajo determinadas circunstancias).
Una profesión peligrosa
Estudiar productos químicos era un proceso peligroso. George y Thomas Knox sufrieron al verse expuestos al ácido hidrofluórico. Thomas casi murió y George se pasó tres años recuperándose.
George Gore de Londres aisló una pequeña cantidad de fluorina, pero explotó y destruyó su laboratorio. Jerome Nickels de Francia y Pauline Louyet de Bélgica murieron en su laboratorio asfixiados por el gas. Los pulmones y la piel se les llenaron de llagas.
Hay pocas dudas de que el trabajo de Marie Curie (1867-1934) con la radioactividad afectó a su salud. Murió de leucemia a los sesenta y siete años, y se quemó los dedos con «su amado radio».
Les debemos mucho a aquellos que arriesgaron sus vidas para adquirir más conocimientos sobre los elementos químicos.
A mitad del siglo diecinueve, se habían identificado 63 elementos. Mientras que el oro, el cobre, la plata, el estaño, el plomo y el mercurio se conocen desde la antigüedad, en 1669 el descubrimiento por parte de un alquimista del fósforo, el primer elemento descubierto en la edad moderna, puso en marcha el proceso de descubrimientos, y poco a poco se fueron añadiendo elementos a la lista. Entonces, en la década de 1780, Antoine Lavoisier (1743-1794) inauguró una nueva era para la química al realizar cuidadosas mediciones cuantitativas que permitieron determinar con precisión la composición de los compuestos. También dividió los pocos elementos conocidos en el siglo XVIII en cuatro clases.
Los científicos comenzaron a comprender que necesitaban un sistema organizativo para registrar los elementos. Carlos Linneo (1707-1778) había organizado las especies en categorías, de modo que los científicos determinaron ordenar de algún modo los elementos químicos.
Aunque parecía una buena idea, nadie estaba muy seguro de cómo hacerlo. ¿Qué tenía un elemento como el oxígeno, un gas, en común con un elemento como el mercurio, un líquido, o con uno sólido blando como el platino, o con aquellos demasiado peligrosos como para manejarlos sin guantes, el flúor o el potasio?
John Dalton creó una simple tabla a principios del siglo XIX, cuando se conocían pocos elementos. La primera tabla periódica fue probablemente creada por el geólogo francés, A. E. Beguyer de Chancourtois en 1862. Aunque en su intento había grandes fallos reconoció que las propiedades elementales recurrían cada siete elementos —de ahí la periodicidad.
Dimitri Mendeleev (1834-1907) está considerado como el principal creador de la tabla periódica. Se esforzó por organizar los 63 elementos y cuando finalmente lo consiguió, dispuso los elementos en una tabla metódica que publicó en 1869. Hoy en día las columnas verticales se llaman grupos y las hileras horizontales periodos. Su sistema organizativo se basaba en la organización de los elementos según su peso atómico, y descubrió lo siguiente:
Mendeleev también predijo las propiedades de los elementos que habrían de descubrirse basándose en las propiedades que dictaba la tabla periódica.
Alrededor de esta época, el químico alemán Lothar Meyer (1830-1895) también había preparado una tabla que en muchos aspectos se parecía a la actual. No publicó su trabajo hasta después de la aparición del primer artículo de Mendeleev sobre el asunto en 1869. Su tabla era muy similar a la del químico ruso, pero contenía algunas mejoras y quizá influyó en las revisiones que Mendeleev hizo en la segunda versión de su tabla publicada en 1870. En general, Meyer estaba más impresionado por la periodicidad de las propiedades físicas de los elementos, mientras que Mendeléyev veía con mayor claridad las consecuencias químicas de la ley periódica.
P: ¿Por qué son tan buenos los químicos resolviendo problemas?
A: Porque tienen todas las soluciones.
Los viejos químicos nunca mueren, simplemente no pueden reaccionar.
Formulario de «Declaración de intención» de Albert Einstein