[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [El átomo químico] [Ejercicios resueltos] [Introducción] [Generalidades] [El atomismo filosófico] [Introducción a las leyes ponderales] [Ley de la conservación de la masa] [Ley de las proporciones definidas] [Ley de las proporciones recíprocas] [Ley de las proporciones múltiples] [Teoría atómica de Dalton] [Postulado de composición] [Postulado de identidad atómica] [Postulado de identidad molecular] [Postulado de asociación] [Postulado de la ecuación química] [Pesos atómicos] [La hipótesis de Avogadro] [La técnica de Cannizzaro] [Del molécula-gramo al mol] [Del mol a la cantidad de sustancia] [Historia de la teoría cinética] [Modelo matemático de la teoría cinética] [Estequiometría de composición] [Ley de Dulong y Petit] [Referencias]
Epistemológicamente diferenciaremos entre la teoría atómica
y el modelo del átomo. La teoría atómica es un concepto general, siendo un paradigma
sombrilla bajo el cual diversos programas de investigación fueron creados,
antes y después de John Dalton y que en palabras simples establece que la
materia está hecha de átomos (Clary, 2013).
El desarrollo de la teoría atómica antes y después de Dalton es un proceso
mucho más complejo en el cual dos corrientes disciplinares y filosóficas han
chocado constantemente y aun lo hacen. Algunas de ellas son el platonismo y el
aristotelismo, el realismo científico contra el instrumentalismo, incluso los
modos de pensar desde la química y desde la física. Hablando concretamente de
la interpretación química o física el escritor del presente artículo no toma
partido por ninguna de las dos posturas, ya que, en sus campos específicos,
cada visión ha demostrado ser útil y ha dado resultados, por consecuencia ambas
cumplen el compromiso racionalista con el Materialismo Metodológico (Blanco, 2012),
lo cual define mi postura como instrumentalista, ya que imperan los resultados
por sobre la posibilidad de describir acertadamente una realidad física. En
últimas, la verdad real del modelo es irrelevante “realismo científico”, lo que
importa es su utilidad pragmática “instrumentalismo”.
El
problema de la sustancia, elementos y compuestos
La química es una ciencia experimental y como tal damos por
presupuestos principios que provienen desde la experimentación a la hora de
definir elemento, compuesto y sustancia. De lo que el estudiante, el
químico o el filósofo pueden dar cuenta en el mundo sensible y tangible de lo macroscópico
es de sustancias continuas, las cuales al combinarse parecen transmutar en
otras sustancias nuevas. En este sentido la transmutación hace referencia al
cambio de las propiedades de las sustancias iniciales a las finales. De
aquí que la teoría atómica tenga como fin último –al menos en la química –dar
una explicación metodológicamente útil al asunto de la reacción/transmutación
de las sustancias al inicio del cambio químico en las sustancias al final. El
asunto es que al menos en principio tal explicación es contra intuitiva, ¿cómo
partículas no conectadas pueden generar fenómenos con apariencia continua?
Uno de los aspectos que permitiría la definición de los
átomos fue la definición de elemento o sustancia simple. Boyle fue el primero
en dar una definición de elemento que cortaba con las tradiciones de la
alquimia y el flogisto, y posteriormente Lavoisier la retomaría (Paneth, 2003).
Para ellos un elemento era:
Ser sustancias que no pueden dividirse en
otras por métodos químicos.
Esto es, a pesar de que muchas sustancias cambian sus
propiedades y presentación en el mundo macroscópico, algunas parecían estar
compuestas por las mismas sustancias simples. Sin el presunto de una sustancia
elemental, es imposible pensar posteriormente en los átomos. Ahora el problema
estaría definido por las posibilidades experimentales para poder identificar
correctamente las sustancias simples de las compuestas, ya que al nivel de lo
macroscópico son indistinguibles. Un ejemplo es el aire, por milenios se lo
consideró como un elemento, pero para el siglo XVIII-XIX los adelantos
tecnológicos permitieron dar cuenta de los componentes del aire, haciéndolo una
sustancia compuesta y no un elemento. El propio Dalton tendría problemas con
este asunto experimental.
Objeciones
a la teoría atómica
Tal vez de todas las objeciones a la teoría atómica la más
importante fuese que no era tan necesaria, de hecho, muchos adelantos químicos
fueron realizados de forma independiente a pretender crear un modelo de átomo.
De hecho, muchos científicos prominentes del siglo XIX no creían en la
existencia de los átomos, o que tan siquiera fueran una hipótesis científica
seria, tildándolos de ser una ficción conveniente. Autores que sostenían esta
postura son por ejemplo Faraday “A” (Burwell Jr, 1894) y Ostwald “B” (Swackhamer, 2005). De hecho, la hipótesis del átomo solo vendría a
aceptarse de forma extendida hasta 1904 (Colyvan, 1998). De hecho, el propio Mendeleev “C” dudaba de la
existencia real del átomo, empleándolo como una simple convención metodológica.
De hecho, en alguna ocasión afirmó que la teoría Atómica era inútil para el
establecimiento del sistema periódica, el cual se basaba en pesos de los
elementos y de sus propiedades (Scerri, 2006).
Definición
básica de la teoría atómica
Tomando en cuenta las objeciones de la época de Dalton y los
cambios que ha sufrido el concepto de átomo cabe preguntarse ¿Cuál es el
fundamento primordial de la teoría atómica? En este sentido vale la pena
reducirlo a la noción con la cual inició el atomismo desde la Grecia antigua.
La materia regular está compuesta por partículas microscópicas llamadas átomos,
las cuales se caracterizan por no poder dividirse, la palabra átomo en el
contexto griego significa lo indivisible. A pesar de que la mayor parte de los
postulados del modelo atómico de Dalton fueron refutados con el avance de los
métodos físicos, comenzando por el propio significado de la palabra “átomo =
indivisible” lo que es relevante para todos los modelos del átomo, es que son
el fundamento para explicar gran parte de las propiedades de los elementos.
La teoría atómica no sería aceptada de forma inmediata y
tendría una evolución paralela a la del propio modelo atómico, de hecho, aún
para la época en que Thomson describió su modelo atómico de pastel con pasas,
la existencia del átomo seguía siendo controversial (Van Melsen, 2004) y muchos científicos prominentes se murieron
negando su existencia.
Modelos
atómicos
Bien, los postulados de la teoría atómica de Dalton son un
poco difíciles de digerir si no contamos con una manera de “visualizarlos”, con
lo que caemos en un pequeño problema para este punto de nuestro pequeño relato.
Dalton no tenía ni idea de cómo se veía un átomo, o de si tenía alguna
estructura en especial, es más, es posible que como Demócrito aun pensara
realmente que los átomos eran en verdad partículas individuales, únicas y
eternas. Allí es donde entra la expresión MODELO atómico. Para poder explicar
de una mejor manera los postulados de la teoría atómica debemos visualizarlos,
pero al no tener una idea de cómo se ve un átomo debemos realizar una
aproximación de COMO PODRIA verse el átomo en base a la mejor información con
la que contemos en un momento de tiempo determinado.
Esa es precisamente la definición de un modelo
atómico: una representación gráfica aproximada de cómo
podría verse un átomo, de forma tal que pueda explicar sus propiedades físicas
y/o químicas. Un modelo atómico no es una foto de un átomo, tampoco
pretende ser la “verdad” sobre como “verdaderamente” se ve la forma “real” de
un átomo, es tan solo una aproximación que explica los fenómenos relacionados
con los átomos. La certeza sobre un modelo atómico recae en su capacidad para
poder explicar la realidad, predecir fenómenos y por lo tanto para generar
tecnologías que nos permitan aprovechar de manera intencionada dichas
propiedades. En otras palabras, el nivel de certeza de un modelo atómico es
directamente proporcional a su utilidad es un contexto específico, es lo que
Bohr llamaba instrumentalismo científico (Maleeh & Amani, 2013).
Para poner un ejemplo, los mapas también son modelos que
representan a la realidad, son una aproximación a cómo debería verse un área
geográfica desde determinado punto de vista. Pero si te pones en ese punto de
vista, te das cuenta de que la realidad se ve un poco diferente a como se
representa en el papel. ¿Significa entonces que los mapas son falsos?, la
respuesta es no, porque son ÚTILES para poder predecir los fenómenos, en este
caso, poder predecir cómo se comporta el terreno a medida que avanzamos desde
un punto (A) a un punto (B). En otras palabras, los mapas son una representación
de la realidad de un área geográfica, no la realidad misma del área geográfica.
Lo mismo sucede con los modelos atómicos. Un modelo atómico es una
representación de la realidad del átomo, no la realidad misma del átomo. El
patrón para juzgar a un modelo científico, sea un mapa, un modelo o una teoría
es su utilidad.
El átomo químico, físico-clásico y físico-cuántico
Los modelos atómicos se pueden distinguir en tres categorías
principales, el átomo de los químicos, los modelos atómicos clásicos y los
modelos atómicos cuánticos.
El átomo químico es una categoría que agrupa al modelo
atómico de Dalton y todas las correcciones hechas Avogadro, Cannizzaro entre
otros, de forma tal que es posible realizar predicciones sobre el
comportamiento de la materia desde el punto de vista de reacciones químicas,
con la característica principal de modelar a cada átomo como si se tratara de
una partícula sin estructura interna.
Los modelos físicos por su parte buscan estudiar la
estructura interna del átomo apoyándose en dos teorías de la física, la
mecánica clásica, y la mecánica cuántica.
Los modelos atómicos de física clásica se caracterizan
porque debían cumplir las leyes de Newton, debido a que la física de Newton se
denomina mecánica clásica, los modelos atómicos que cumplen las leyes
newtonianas reciben el nombre de clásicos (Pais, 1991).
A pesar del conflicto que pueda existir entre la noción de átomo físico y átomo
químico un aspecto común a los modelos clásicos es que sus propiedades no son
diferentes a las de los objetos macroscópicos. Esto es cierto desde las
primeras nociones del átomo griego hasta el átomo de Rutherford, donde los
átomos poseen propiedades mecánicas. En esta primera etapa del desarrollo del
átomo se generan varias cuestiones:
👉
la existencia del átomo,
👉
las propiedades de los átomos y finalmente
👉
la estructura interna de los átomos que quedará casi definida cuando al
modelo de Rutherford se le adiciona el concepto de Neutrón.
El último modelo atómico clásico fue el modelo de
Rutherford, lo cual trajo consigo una serie de paradojas relacionadas con la
luz, los colores y las orbitas electrónicas que contribuyeron al surgimiento de
una nueva física, con nuevas reglas, una física que negaba el concepto más
básico de Newton, la continuidad del movimiento a través del espacio, dando
lugar a un concepto descabellado en nuestra realidad inmediata, el salto
cuántico que puede traducirse solo con el concepto de teletransportación. Todos
los modelos que acogen el salto cuántico, es decir el movimiento de un electrón
entre dos puntos sin recorrer el espacio intermedio se denominarán como
cuánticos, y de ellos el modelo estándar moderno es el modelo atómico
mecánico-cuántico-ondulatorio relacionado a autores como Erwin Schrödinger,
aunque a él contribuyeron muchos autores más, y lo más paradójico es que todos
lo detestaron, pero ninguno pudo refutarlo debido al criterio instrumentalista,
la maldita teoría cuántica ondulatoria funciona aunque a nadie le guste y
prácticamente nadie la endiente completamente.
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