John Dalton y la teoría atómica moderna
Si bien las investigaciones de los químicos Lavoisier, Proust y Dalton en el siglo XVIII son los antecedentes más próximos a la verificación experimental de la existencia del átomo, éste había sido objeto de las especulaciones de Leucipo y Demócrito, filósofos de la antigüedad
POR RAÚL ROJAS
El químico y polímata John Dalton (1776-1844) es considerado tradicionalmente como el padre de la teoría atómica moderna. Aunque ya desde la antigüedad se había postulado que toda la materia se compone de átomos (el vocablo es una palabra griega que significa “indivisible”), no fue sino hasta los experimentos químicos de Lavoisier, Proust y Dalton, que se pudo fundamentar experimentalmente la existencia de esos entes físicos aún no observables. En su Nuevo Sistema de Filosofía Química de 1808, Dalton expone detalladamente sus cálculos de lo que ahora llamaríamos el “peso atómico” de los elementos hasta entonces conocidos. Para obtenerlos, se basó en las proporciones en que los elementos se combinan en procesos químicos.
Desde la antigüedad griega se especuló acerca de los componentes elementales de la materia. Las interrelaciones entre los gases, fluidos y los objetos sólidos llevó al filósofo Empédocles a postular al aire, tierra, agua y fuego como los cuatro elementos que, mezclados en diferentes proporciones, podrían explicar la gran variabilidad de las propiedades de los objetos naturales. Sin embargo, fueron Leucipo y su discípulo Demócrito quienes primero llegaron a formular una teoría atómica, la que no tuvo realmente una continuidad histórica inmediata. Esos incipientes atomistas partían de la observación de que la materia se puede dividir y dividir en porciones cada vez más pequeñas, pero negaban que el proceso pudiera continuar indefinidamente. El límite para esa subdivisión serían precisamente los átomos, diferentes para cada tipo de material y además indestructibles. Los átomos estarían circundados por vacío, lo que haría posible su movimiento y, con ello, de los objetos mismos. La estabilidad de los átomos sería evidente al observar transmutaciones, por ejemplo, del agua en vapor, que se puede condensar otra vez como fluido. Para estos atomistas primigenios nuestra percepción de los objetos sería posible por la interacción de nuestros átomos con los átomos de aquellos, una teoría que siglos después Newton reviviría para concebir a la luz como corpúsculos emitidos por las cosas y que inciden en nuestros ojos.
El atomismo sobrevivió en los siglos siguientes, en los intersticios de la cultura romana y la era medieval. Durante mucho tiempo se asumió que la materia era infinitamente divisible, pero que un material concreto (hueso, madera) tenía un “mínimo natural”, hasta el cual se podía dividir, antes de dejar de ser el objeto analizado y transformarse en agua, aire, o alguna otra cosa. Esas “partículas” serían entonces la base de partida para concebir al mundo como un sistema mecánico, de interacción entre corpúsculos.
El atomismo podrá ser justificado hasta la Ilustración, en el siglo XVIII, con el desarrollo en ese siglo y en el siguiente de métodos químicos experimentales. Dos avances serían fundamentales: por un lado, la formulación por el químico francés Antoine Lavoisier del principio de conservación de la materia, y, por otro, los experimentos de Joseph Proust. Con Lavoisier se introdujo el rigor experimental en la química, analizando y pesando todos los ingredientes y resultados de las reacciones. Aunque ya otros científicos lo habían planteado, es a Lavoisier a quien se atribuye haber establecido la ley de la conservación de la materia: “Nada se pierde, nada se crea, todo se transforma” (en la química, la física es otra cosa). Lavoisier mismo postulaba la existencia de “elementos” que no podían ser descompuestos en otros más simples. Por su parte, el también francés Proust demostró en 1797 que las sustancias químicas no se mezclaban en cualesquiera proporciones, sino siempre respetando ciertas relaciones. Es lo que se llama la “Ley de Proust”. Todo esto ocurría al calor de la revolución francesa, en la que Lavoisier terminó siendo guillotinado en 1794.
Así que esa era la situación cuando Dalton en Inglaterra comienza a ponderar los avances alcanzados por los químicos franceses. Partiendo de la ley de conservación de la materia y de la ley de Proust, es natural proponer que todos los compuestos químicos corresponden a diferentes mezclas de componentes elementales que no se transforman y sólo pueden combinarse en ciertas proporciones. Pero a los átomos nadie los vería experimentalmente sino hasta el siglo XX, de tal manera que la primera demostración de su existencia sólo podría ser indirecta. Aunque prominentes científicos, como Roger Bacon o Galileo Galilei habían adoptado una concepción atomista en sus estudios, ninguno de ellos se propuso verificar experimentalmente la realidad de los
átomos.
En su Sistema, Dalton explica en sólo cinco páginas cómo concibe la “síntesis química”. Según Dalton, los átomos tienen un cierto peso y mantienen a otros átomos a distancia, de tal manera que entre ellos sólo hay vacío. Toda la química, análisis y síntesis, consiste entonces en “separación y reunión”, sin que haya destrucción posible. Pero nadie ha intentado nunca “inferir los pesos relativos de los átomos” de las proporciones en las que se combinan en varios materiales. Por eso el objetivo de su trabajo es determinar “los pesos relativos … y el número de partículas elementales que constituyen una partícula compuesta”. Dalton propone que un átomo de A se puede combinar con un átomo de B, para producir C, un compuesto “binario”. Pero todas las proporciones numéricas son posibles: un átomo de A y dos de B, o dos de A y uno de B, o tres de A y dos de B, etc. Es la tarea de los químicos descubrir estos compuestos “binarios”, “ternarios”, “cuaternarios”, etc., y eso es precisamente lo que el segundo volumen del Sistema ilustra, mostrando cómo de las combinaciones se puede derivar el peso relativo de cada átomo.
Para lograr su objetivo, Dalton propone que los diferentes niveles se van llenando de abajo para arriba. Es decir, si dos elementos A y B se combinan en una sola forma, el compuesto debe ser binario (un átomo de A y uno de B). Si se combinan en dos o tres formas, un compuesto es binario y el otro es ternario, y así sucesivamente. Aunque con esta estrategia Dalton fue capaz de analizar muchas sustancias, hay un error de origen en el planteamiento. Por ejemplo, el agua, H2O, combina dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Pero para Dalton el agua era una sustancia “binaria” y por eso sería un compuesto, HO, de hidrógeno y de oxígeno. Obviamente Dalton no conocía aún lo que posteriormente se llamaría las “valencias” de los átomos, que en el caso concreto del agua sólo permiten la combinación H2O como combinación estable. Es decir, la combinación estable más simple de dos elementos dados, no necesariamente involucra un solo átomo de cada uno.
Dejando que las sustancias se combinen en un proceso químico y pesando los materiales, al principio y al final, es posible deducir sus pesos relativos. De las combinaciones conocidas, Dalton deduce que el hidrógeno es el elemento más ligero y calcula pesos relativos para el helio y el oxígeno de 5 y 7, respectivamente. Hoy sabemos que los pesos atómicos del helio y oxígeno son en realidad 4 y 16. Así que Dalton comete errores, pero su tabla de pesos atómicos en algunos casos no está tan lejos de los valores que hoy conocemos. Para el nitrógeno, Dalton obtiene el valor 12, cerca de 14, lo que utilizamos hoy. Esa tabla de pesos atómicos ya había sido presentada por Dalton cinco años antes de que publicara su Sistema; esa presentación fue de hecho lo que produjo la recomendación de resumir todos los experimentos en un solo libro. En un apéndice, publicado como parte del segundo volumen, ya Dalton indica que varias de sus estimaciones de pesos atómicos han sido corregidas por otros químicos y que seguirán siendo corregidas.
Al final del Sistema, Dalton hizo algo que posibilitó convertir a su teoría atomista en un instrumento didáctico. Dalton dibuja cada átomo como un círculo, con diferentes signos en el interior, y los combina geométricamente, para ilustrar la configuración, que hoy llamaríamos molecular, de los diferentes compuestos. La molécula de agua de Dalton, por ejemplo, consiste en dos círculos unidos, uno para el hidrógeno y otro para el oxígeno. Dalton siempre dibuja a sus moléculas de manera simétrica, organizando a los átomos jerárquicamente, con el elemento más pesado en el centro, y los más ligeros alrededor de él. Para sus conferencias públicas Dalton siempre llevaba consigo esferas de madera, que conectaba con varillas, para explicar la formación de compuestos.
El Sistema es, si se quiere, una obra que se puede resumir en pocas páginas (dejando de lado la investigación del calor y los estados de la materia que aborda al comienzo). El grueso del libro describe muchos tipos de sustancias químicas y sus proporciones relativas, de las que se puede extraer el peso atómico para hasta 36 elementos. Hay que ser químico para pasar por todas esas doscientas páginas sin dormitar.
Sin embargo, la imposibilidad de observar a los átomos en el microscopio llevó a muchos científicos a dudar de la teoría atomista y a concebirla más bien como una regla heurística conveniente para la química. No obstante, el desarrollo de la teoría de los gases y la emergencia de la llamada mecánica estadística a lo largo del siglo, mostró que era posible fundamentar el atomismo de una manera no sólo química sino física. Uno de los éxitos de esa convergencia fue hacer posible el cálculo del número de partículas en un cierto volumen de gas.
La primera observación de los átomos (o moléculas en este caso) fue indirecta, a través de la descripción del llamado “movimiento browniano”. Este concepto se refiere a los desplazamientos azarosos de pequeñas partículas de polvo sumergidas en el agua o flotando en el aire. Dicho movimiento es una especie de “paseo aleatorio” y caótico de un objeto que se mueve en diferentes direcciones, propulsado por sus colisiones con partículas del fluido. No fue otro sino Albert Einstein, quien en 1905 pudo explicar el fenómeno como una interacción fortuita de esos pequeños objetos con las moléculas del agua misma. A pesar de que si observamos un vaso de agua todo parece estar en calma, la verdad es que a 20 grados de temperatura la velocidad media de una molécula de agua es de ¡590 metros por segundo! Las moléculas no saltan del vaso porque chocan entre ellas y con las paredes de vidrio, muchos miles de veces por segundo, en un hervidero que no percibimos con los ojos. Cada molécula de agua está situada a sólo cuatro Armstrongs de distancia de las otras; se mueve cuando mucho un poco más de la mitad de esa distancia antes de sufrir una colisión con una molécula vecina. Es una danza increíblemente rápida, que no podemos ver, pero que se manifiesta si un pequeño objeto flota en el agua. El bombardeo de las moléculas del fluido es lo que lo sacude.
La contribución de Einstein fue calcular estadísticamente el resultado de esa agitación sobre el movimiento de pequeños objetos visibles. Cuando en 1908 el físico Jean Perrin realizó el experimento correspondiente, pudo corroborar los cálculos de Einstein, basados en la teoría atómica, y con eso se obtuvo una corroboración física y ya no sólo química de la teoría. Posteriormente, con la aplicación de los rayos X en la cristalografía, se pudo iluminar materiales para producir imágenes de difracción, las que analizadas permiten reconstruir la posición de cada átomo en el material investigado. Además, con la invención, en los años 80, de los microscopios de interacción por efecto túnel, se pudieron utilizar pequeñas agujas para escanear un material y producir en la computadora verdaderos mapas de paisajes moleculares donde cada átomo es reconocible. Los físicos pueden incluso ya manipular átomos individuales para colocarlos en cualquier posición en un material, por ejemplo, para escribir “IBM” con átomos de xenón en una superficie de níquel, como sucedió en 1989.
Así que la teoría atómica de la materia tiene una larga trayectoria: desde las especulaciones de Leucipo y Demócrito hace 24 siglos, pasando por las investigaciones de Lavoisier, Proust y Dalton hace dos siglos, hasta la verificación experimental del movimiento browniano, hace un siglo, y la manipulación moderna de átomos por contacto o confinándolos en “jaulas” de láseres, lo que data de las últimas décadas. En honor de John Dalton, la unidad de masa atómica moderna lleva su apellido y corresponde a un doceavo del peso atómico de un átomo de carbono aislado.
Corroborar la teoría atómica significó atravesar un largo camino, pero una estación muy importante fue, sin duda, el Nuevo Sistema de Filosofía Química de Dalton.
FOTO: Retrato grabado del químico y polímata británico John Dalton, realizado en 1823/ Especial
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