La física y la química son dos áreas íntimamente relacionadas de la ciencia. Los adelantos de la física han tenido una profunda influencia en la química. Esto no es de extrañar considerando que la física se ocupa de las leyes y teorías que rigen la materia y la energía, mientras que la química estudia las propiedades de los materiales y las transformaciones de la materia y la energía. Es por esto que en muchas ocasiones la física está considerada por muchos como la ciencia madre, la ciencia de las ciencias. Es cierto que dicha ciencia a menudo cambia el rumbo de las investigaciones, e incluso el propio vocabulario, en otras disciplinas como la química. Así, debido a los descubrimientos de física cuántica los químicos ya no usan palabras como «afinidad» y «valencia» para describir el enlace químico sino que estos términos se han sustituido por «solapamiento de orbitales», enlaces «sigma» y «pi», palabras que no pueden definirse fuera del contexto teórico cuántico. La explicación moderna del enlace químico depende de la naturaleza ondulatoria del electrón.

Este «triunfo» de la física para explicar ciertos comportamientos químicos ha llevado a algunos científicos y filósofos a pensar que la química es reducible a la física. Estos piensan que tarde o temprano algunas ecuaciones de la física acabarán por explicar todos los fenómenos químicos. Esto puede llevar a algunos a pensar incluso que si la química es reducible a la física y la biología a la química, la propia vida puede explicarse a partir de la física, es lo que denomina reduccionismo.

En parte los científicos son reduccionistas, en el sentido de que sostienen que hay unas pocas leyes a las que todo se sujeta y que ningún sistema, por complejo que sea, las incumple o emergen otras diferentes. Por ejemplo, la fuerza electromagnética que mantiene unido al electrón y al protón es la misma que aparece en las complejas conexiones neuronales o en el proceso de duplicación del ADN. La ley de conservación de la energía se cumple tanto en la sencilla reacción química de combustión del butano como en el entramado complejo que forma una persona humana.

Pero lo que los científicos no conciben es que, una vez entendidas las leyes naturales básicas, el mundo será deducible como mera construcción, es decir, aunque el conocimiento se estructura en niveles que son consistentes con el anterior, en gran parte, y casi en la totalidad, están desacoplados del anterior. En cada nivel de organización aparecen propiedades emergentes que no se pueden explicar con los componentes del nivel inferior y necesitamos nuevos conceptos, modelos y teorías que nos sean útiles para explicar los fenómenos. Es sabido que las ecuaciones de la física cuántica no pueden explicar los comportamientos químicos de moléculas no muy grandes.

Por ello, aunque la química tenga una fuerte dependencia de la física, es independiente de ella. Los adelantos de la química no son meras extensiones de ideas concebidas en física. De hecho, ideas concebidas principalmente en química han impulsado investigaciones en física.

A continuación expongo tres ejemplos donde importantes investigaciones químicas dieron lugar a adelantos en física.

Nernst y la tercera ley de la termodinámica.

Walter Nernst (1864-1941): Físico-químico que estudió con Boltzmann. En 1889 fue profesor en Gottingen y a partir de 1905 profesor en Berlín. Sus trabajos en el análisis de los resultados experimentales sobre las reacciones químicas le llevaron a formular en 1906 su Teorema del Calor que es el origen del Tercer Principio de la Termodinámica. Este teorema impulsó el estudio experimental del comportamiento de los sólidos y líquidos a bajas temperaturas. Por todo ello ganó el Premio Nobel de Química en 1920.

El tercer principio de la termodinámica o Postulado de Nernst afirma que si uno quisiera diseñar un proceso para llegar al cero absoluto (0 K, -273,16ºC), dicho proceso no podría tener un número finito de pasos. Esto prácticamente equivale a decir que el cero absoluto es inalcanzable. ¿Cómo llegó Nernst a esta conclusión? El descubrimiento de la tercera ley de la termodinámica fue consecuencia de los estudios de Nernst del equilibrio químico a bajas temperaturas.

En 1887 Nernst comenzó un largo proyecto de investigación para medir los calores específicos de diferentes sustancias a bajas temperaturas. Su interés inicial fue hacer más precisas las ideas en boga entre los químicos sobre las condiciones de equilibrio en muchas reacciones químicas, que no habían tomado en cuenta los efectos de la temperatura. Así es como encontró que, de manera sistemática, al disminuir la temperatura y acercarse al cero absoluto, el calor específico de las sustancias disminuye continuamente. Claramente, al llegar a estas temperaturas las sustancias están en la fase sólida. No existe ninguna sustancia que a estas temperaturas sea gas o líquido, excepto el helio que continúa siendo líquido hasta temperaturas de alrededor 2 K, o sea de -271ºC. Sin embargo, Nernst no trabajó con helio.

De estos resultados Nernst formuló en 1906 la tercera ley de la termodinámica, que se refiere a las propiedades termodinámicas de las sustancias en la cercanía del cero absoluto de temperatura. Una consecuencia de la tercera ley es que el calor específico de todas las sustancias se anula al llegar su temperatura a ser cero grados absolutos.

El trabajo de Nernst tuvo gran importancia teórica en el desarrollo de la termodinámica. Además, también tuvo importantes aplicaciones prácticas. Por ejemplo, fue muy útil en la formulación de los diversos cálculos que se necesitaron para hacer la síntesis del amoniaco.

Las investigaciones electroquímicas de Faraday y el electrón.

Combinando sus aficiones por la química y la electricidad, Faraday hizo algunos descubrimientos críticos sobre los efectos de pasar corrientes eléctricas a través de soluciones químicas. Su entendimiento de lo que ocurría era tan distinto de lo sostenido previamente que, en 1834, publicó un artículo en el Philosophical Transaction de la Royal Society que introducía dos nuevos términos en el reino de la ciencia: electrodo, cátodo, ánodo, electrolito, anión y catión.

Fueron las investigaciones electroquímicas de Faraday las que llevaron a G. J. Stoney, físico y matemático irlandés, a acuñar la palabra «electrón».  Estudiando los experimentos de Faraday, en 1874 estableció la hipótesis según la cual la electricidad era creada por unos corpúsculos elementales que llamó electrones, cuya carga intentó calcular. Posteriormente, J. J. Thomson lo detectaría en fase gaseosa.

La teoría atómica.

La teoría atómica moderna echó raíces en la química antes de trasladarse a la física. Sabemos que los antiguos griegos como Leucipo y Demócrito (s. V aC) propusieron la teoría atómica pero no fue hasta finales del siglo XVIII y principios del XIX con la explosión de la química cuando la teoría atómica empezó a tener éxito. La modernización de la por tanto tiempo despreciada teoría atómica, llevada a cabo por John Dalton (1766-1844), significa la liberación de la Química, sometida a ideas inadecuadas hasta fines del siglo XVIII. Es sin duda correcto decir que la base de la lógica para creer en la existencia del átomo fue dada por Dalton, Gay-Lussac y Avogadro en sus trabajos publicados hacia los comienzos del 1800. Pero Dalton es llamado el padre de la teoría atómica, aunque hombres eminentes como Boyle y Newton habían usado la descripción de la materia como algo formado por partículas. El rasgo que Dalton tuvo en común con Gay-Lussac y Avogadro fue el interés por probar una idea por medio de la ejecución de un experimento cuantitativo, y el triunfo fue la comprobación de que diversos datos experimentales pueden ser resumidos en un limitado conjunto de generalizaciones sobre el comportamiento de la materia.

La aportación de Dalton consistió en considerar los tamaños relativos y las características de esos átomos y cómo se unían. Supuso que la combinación química consistía en la interacción de los átomos de peso definido y característico y propuso la primera tabla de pesos atómicos.

Aunque tuvo que ser un físico, Albert Einstein, el que convenciera a los científicos de la existencia real de los átomos con su artículo sobre el movimiento browniano en 1905. Posteriormente el átomo se dividiría con el descubrimiento del electrón por Thomson en 1897 y el núcleo atómico por Rutherford en 1909, iniciando así la física nuclear.

Así pues, la idea de átomo que llevó al descubrimiento de las partículas elementales y al inicio de la física de partículas proviene la química.

Este post participa en el XXVII Carnaval de Química, alojado en el blog Educación Química, de Bernardo Herradón.