Química Cúantica, Pitágoras y una copa.

Triangelua_Quimica_Cuantica

Alejandro alzó su copa de vidrio, y la observó como siempre lo hacía, con admiración y un ligero gesto de incredulidad. Hacía ya dos años que había llegado a la escuela pitagórica de Crotona, en busca de la explicación última del mundo. Desde su infancia, Alejandro se preguntaba como era posible que aquella piedra dura y de color oscuro, se transformara bajo la acción del fuego purificador, en ese otro material translucido, brillante y quebradizo que formaba su copa.  ¿Qué era el fuego para ser capaz de transformar así la materia? ¿Y qué era ésta?  ¿Cómo explicar los cambios que en ella tenían lugar? Su maestro, Pitágoras, estaba convencido de la existencia de un mundo de números y figuras poliédricas tridimensionales, que eran la esencia de todas las cosas. Pero, a veces, todo eso le resultaba tan distante, tan sumamente diferente de la copa que sostenía entre sus manos, que le resultaba difícil creerlo. Alejandro no lo sabe, pero todavía faltan más de dos milenios para que el mundo pitagórico de los números y estructuras tridimensionales, pueda relacionarse con la materia y sus procesos de cambio. Faltan más de dos milenios para el nacimiento de la Química Cúantica.

La Química Cuántica es el área de conocimiento que relaciona el mundo pitagórico de la matemática con la materia formada por átomos y moléculas.  Es la teoría de la Química por excelencia. Cabría preguntarse sobre el sentido y la necesidad de una teoría en una área de conocimiento experimental como la Química. Ante eso podemos decir, que la teoría nos proporciona un lenguaje para conceptualizar y contextualizar la experiencia, y sin lenguaje, no hay ciencia ni conocimiento humano. La naturaleza sólo nos da unos datos que hay que interpretar, y esa interpretación se realiza dentro de un marco teórico. Pero además, el lenguaje y la teoría moldea nuestras mentes para que podamos no sólo entender el experimento, sino que podamos hacer las preguntas adecuadas. Así, en cada rama científica adquirimos una manera de racionalizar el experimento ligeramente diferente. Como consecuencia, aquellas áreas de conocimiento que se encuentran en la frontera entre varias ramas científicas ofrecen una rica variedad de conceptos, no siempre coherentes entre sí, pero que aportan su punto de vista a la comprensión del hecho experimental. La Química Cuántica es una de estas áreas.

La Química Cuántica puede ser definida como un triángulo surgido de la interacción de tres áreas científicas, representadas en cada uno de los lados : 1) la Mecánica Cuántica que aporta la teoría interpretativa y es la base del lenguaje en Química Cuántica 2) la Química que proporciona el experimento que hay que interpretar, y 3) la Computación que, hoy en día, nos suministra la tecnología necesaria para relacionar teoría y experimento.

Triangelua_Quimica_Cuantica

 Pero ahí no acaba la variedad del Lenguaje Químico que utilizamos habitualmente para conceptualizar la estructura de las moléculas e interpretar las relaciones energéticas entre ellas. Para ello, necesitamos a su vez relacionar tres campos grosso modo: i) La Química Cuántica, ii) las teorías empíricas del enlace químico (por ejemplo, Lewis), hasta cierto punto actualizadas,  y iii) la termodinámica, que nos aporta las relaciones energéticas observadas y el sentido de los procesos a nivel macroscópico.

Triangelua_Lenguaje_Quimico

Se podría plantear la conveniencia de utilizar el lenguaje proveniente de las teorías empíricas de enlace. La razón de su uso radica, en mi opinión, en que la mayoría de los químicos espera comprender la estructura electrónica de las moléculas, utilizando argumentos que combinen simplicidad con capacidad predictiva, priorizando a veces la primera con respecto a la segunda. Por ejemplo, el concepto de carga atómica está firmemente anclado en la mentalidad de los químicos, y es un concepto muy útil para racionalizar de una manera sencilla efectos de reactividad en moléculas. Sin embargo, desde un punto de vista Químico-Cuántico, el concepto de carga atómica dentro de una molécula contiene un factor de arbitrariedad importante, y su cálculo no deja de ser ambiguo.

Por otro lado, el experimento químico, en general, se realiza sobre millones de moléculas simultáneamente, correspondiendo el resultado a algún tipo de magnitud termodinámica macroscópica. Es por ello que necesitamos incorporar a nuestra cálculos conceptos tales como entalpía, entropía, energía libre, etc. Por ejemplo, no tiene sentido hablar de la temperatura de una sola molécula. La temperatura es un concepto estadístico, se necesitan millones de moléculas para que el promedio de su energia cinética (es decir, la Temperatura) tenga algún sentido como parámetro característico de un estado macroscópico. En resumen, la Temperatura es una propiedad emergente del sistema, que se manifiesta en un nivel de realidad “superior” al del mundo individual de la molécula aislada. La Termodinámica Estadística se encarga de relacionar los dos niveles de realidad, microscópica y macroscópica.

Nuestros estudiantes tienen que entender que todos estos conceptos, lenguajes e interpretaciones varias, se refieren a una misma realidad: la de las moléculas. Las parádojas, contradicciones, pero también la riqueza, que se dan en nuestro campo, tienen muchas veces que ver con la frontera conceptual entre estas áreas de conocimiento, y en su correspondiente interpretación. Diferentes niveles de realidad, creados hasta cierto punto por nuestra mente, y que en última instancia obedecen al ideal pitagórico de relacionar las matemáticas y las estructuras tridimensionales, con la materia y sus cambios. A Alejandro le hubiera gustado vivir en esta época, para poder por fin entender que su sabio maestro Pitágoras, en el fondo, no andaba tan desencaminado.

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  1. #1 por Giusseppe el enero 8, 2013 - 12:14 pm

    Por muy radical que suene, la molécula no es más que un modelo. Incluso aunque pretendamos “verla” con microscopios electrónicos u otros experimentos más o menos indirectos. Como bien dices, hay distintos niveles de conocimiento que la química cuántica pone yuxtapuestos, como es el conocimiento macroscópico o estadístico/termodinámico, que durante mucho tiempo fue el único asociado al experimental, junto con el microscópico/atómico/molecular que es un modelo más o menos útil y que se ajusta a los resultados experimentales de los revolucionarios científicos de principios del siglo XX (principalmente).

    Pero así como Lavoisier revolucionó (sentando las bases) las teorías químicas previas al S XVIII, serían De’Broglie, Thomson, Plank… los que abrirían la necesidad de formular un modelo diferente… y nació la QQ.

    Bueno, dudo mucho que te pueda aportar nada que no sepas en este campo.

    Me gusta la idea de comparar la pesada del aire, algo invisible pero ahora mismo incuestionable, con los experimentos que pusieron de manifiesto que la materia era “atravesable” por haces de electrones o por otro tipo de “partículas”.

    ¿Qué es “partícula”?

    • #2 por xabierjota el enero 8, 2013 - 12:19 pm

      Gracias por la contribucion, muy interesante y claro que me puedes aportar mucho en cualquier campo. Ademas, cuando escribes un comentario, contribuyes a la gente que lee la entrada, y uno a veces aprende mas de los comentarios y de sus respuestas, que de la propia entrada.

      Con lo de “que es particula” me has dado una idea para una entrada, pero como bien sabes, ahi radica uno de los claves.

      Gracias mil por el comentario

  2. #3 por Pruebas Vprobe el enero 8, 2013 - 6:43 pm

    Esta entrada me recuerda alguna conversación que tuvimos cuando compartíamos campus en Ibaeta… Creo que ya por entonces te preocupaba “unificar” los enfoques de distintas asignaturas cuando trataban un mismo tema con “herramientas” distintas…

    • #4 por xabierjota el enero 8, 2013 - 6:54 pm

      Efectivamente! En la carrera, ves diferentes asignaturas, y luego cuando empiezas a investigar te das cuenta que tienes que unificar esas herramientas conceptuales. Si ademas te dedicas a una rama de la ciencia que bordea varias especialidades, tienes que aprender a comprender como el quimico, el fisico, el bioquimico conceptualizan los fenomenos, y como bien sabes, siempre me ha atraido mucho comprender las diferentes perspectivas. Si a eso le añades las ciencias de la computacion y las matematicas, tienes un coctel de lo mas interesante

      Gracias por tu aportacion alvaro 😉

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