¿Qué es un átomo?

Luis Salvatella, ISQCH

La Química actual descansa sobre el concepto de átomo como unidad de materia que se conserva en las reacciones químicas. Los átomos pueden combinarse entre sí para formar moléculas, iones y otras entidades, generando así distintas sustancias. Pero, ¿cómo se define actualmente el concepto de átomo? Veamos aquí los problemas que plantea esta definición.

El término átomo fue introducido en el siglo V a. C. por Leucipo como «la partícula indivisible más pequeña de materia«. Sin embargo, la definición de Leucipo no coincide con el concepto actual de átomo químico. Así, un átomo está formado por electrones y un núcleo, que a su vez está formado por partículas subatómicas (protones y neutrones), que a su vez están formadas por quarks (estos sí son partículas elementales, según el Modelo Estándar de la Física de partículas). Así pues, los átomos de Leucipo no corresponderían en realidad a los átomos actuales, sino a los fermiones, tanto quarks como electrones.

Demócrito

La teoría atómica de Leucipo fue utilizada por su discípulo Demócrito para explicar algunas propiedades de la materia. Así, los átomos de hierro serían resistentes y tendrían ganchos que les permitirían unirse entre sí para formar el hierro sólido, los átomos de sal serían afilados y puntiagudos que pincharían en la lengua y los átomos de agua serían suaves y resbaladizos. La interpretación de Demócrito nos permite introducir la idea de átomo como «mínima cantidad de materia que mantiene las propiedades del objeto del que forma parte«. Así, si tomamos un objeto de hierro, caracterizado por ser un sólido gris brillante, y la partimos en dos, obtenemos dos piezas de hierro sólido gris brillante. Si tomamos una de las piezas y la volvemos a dividir, obtenemos dos fragmentos más pequeños de hierro sólido brillante. Podríamos pensar que la división sucesiva de la pieza de hierro nos conduciría a un átomo que conservara las propiedades del objeto original. Sin embargo, este razonamiento inductivo falla a escala microscópica (o, más bien, nanoscópica). Así, un átomo químico de hierro no se comportaría como un sólido, ya que no quedaría apoyado inmóvil en el fondo del recipiente que lo contuviera, sino que se desplazaría por el interior del mismo rebotando contra las paredes, comportándose así como un gas. Además, un átomo de hierro no es ni gris ni brillante, porque esas propiedades se derivan del enlace metálico formado por agregación de un conjunto de átomos de hierro. En consecuencia, la teoría atómica de Leucipo tampoco resulta útil para definir el actual átomo químico.

Representación de los átomos por Dalton

La teoría atómica fue reintroducida por Dalton en 1808 para explicar la ley de conservación de la masa, la ley de las proporciones constantes y la ley de las proporciones múltiples, de forma que las reacciones químicas consistían en realidad en recombinaciones de átomos. De esta forma, surge una nueva definición del átomo: «la mínima cantidad de materia que se conserva en las reacciones químicas«, que exige introducir el concepto de «reacción química«, lo que a su vez plantea nuevos problemas. Por un lado, el átomo no es la unidad de materia que se conserva en una reacción concreta o cualquiera, sino la unidad común de materia que se conserva en todas las reacciones, por lo que la descripción de una unidad de materia como átomo sería siempre provisional (hasta que se descartara cuando se conociera una reacción en la que la supuesta unidad se fragmentara). Por otra parte, la delimitación del concepto de reacción química (diferenciándola de un proceso físico, como el cambio de estado de agregación o la mezcla) exige usar directa o indirectamente el concepto de átomo (una reacción química sería un proceso de reorganización atómica), obteniendo así una definición circular (un átomo es la mínima cantidad de materia que se conserva en los procesos producidos por la reorganización de los átomos).

A raíz de la Teoría de la disociación iónica de Arrhenius en 1884 surgiría un nuevo problema para la definición del átomo. Así, un cristal de sal común (NaCl) no está formado por átomos de sodio (Na) y átomos de cloro (Cl), sino por iones sodio (Na⁺) y cloruro (Cl^–). Ya que la concepción actual de átomo excluye las entidades cargadas, habría que concluir que existen sustancias que no están formadas por átomos (aunque puedan considerarse formalmente como resultantes de la reorganización de un gran conjunto de átomos). Por tanto, el átomo es una unidad de materia, pero no es una unidad para toda la materia.

La concepción del átomo como la más pequeña unidad de materia cayó en 1897 a raíz del descubrimiento del electrón por Joseph John Thompson. A partir de entonces, surgirían las definiciones del átomo basadas en su estructura (traicionando así a la etimología del término átomo, «indivisible«). Así, el átomo dejó de ser la más pequeña unidad de materia para convertirse en un sistema eléctricamente neutro formado por un núcleo y unos electrones.

Representación planetaria de un átomo

Sin embargo, las definiciones del átomo basadas en su estructura interna plantean un nuevo problema: la posterior definición de sus componentes subatómicos, que utilizan generalmente el átomo como referencia. Así, la IUPAC (Unión Internacional para la Química Pura y Aplicada) define núcleo como «la porción central de un átomo cargada positivamente, excluyendo los electrones orbitales«, lo que nos conduce a una nueva definición circular (el átomo está formado por electrones y por un núcleo, que es la parte central del átomo). Este círculo vicioso podría evitarse definiendo el núcleo atómico como formado por nucleones (protones y neutrones), a su vez formados por quarks, que ahora sí podrían definirse como partículas elementales de materia con determinadas propiedades. Pero, ¿qué ocurriría si los quarks no fueran realmente partículas elementales? ¿Se caería toda la construcción axiomática de la Química?

Un nuevo problema surge a raíz del descubrimiento de los isótopos por Soddy en 1912, ya que la Teoría Atómica de Dalton incluía la suposición de que todos los átomos de un elemento químico son iguales entre sí. A partir de entonces, hay que considerar que los átomos de un elemento químico no son estrictamente iguales entre sí, sino simplemente poseedores de un núcleo atómico con igual número de protones (que pueden diferenciarse en el número de neutrones).

Los problemas de delimitación del concepto de átomo se plasman en la definición de la IUPAC («Menor partícula que caracteriza un elemento químico. Consiste en un núcleo de carga positiva (Z es el número de protones y e la carga elemental) que contiene casi toda su masa (más del 99,9%) y Z electrones que determinan su tamaño«). Tenemos así una definición de átomo formada por la yuxtaposición de dos definiciones circulares.

En la componente microscópica de la definición de la IUPAC, el átomo es la «partícula más pequeña que caracteriza un elemento químico» (el término «caracteriza» recuerda que todos los elementos químicos están formados en última instancia por fermiones —electrones o quarks—, por lo que no sería válida la expresión «partícula más pequeña de un elemento químico«). Sin embargo, el «elemento químico» (en su acepción como materia) ha sido definido por la IUPAC como una «sustancia química pura compuesta por átomos con el mismo número de protones en el núcleo atómico«. Llegamos así a una nueva definición circular: el átomo es la partícula más pequeña que caracteriza un elemento químico, que es una sustancia formada por átomos similares.

El uso de las definiciones circulares hace que la definición de átomo solo pueda ser comprendida por alguien que ya sabía previamente qué era un átomo. En el fondo, la definición de la IUPAC de átomo se parece mucho a la definición de caballo de la enciclopedia polaca Nowe Ateny («Todo el mundo puede ver cómo es un caballo«).

Las dificultades en la definición del átomo se deben a la obsesión decimonónica de utilizar el átomo como protagonista principal de la Química.[*] De hecho, el átomo ha perdido progresivamente las propiedades que habían justificado su papel central en la Química: ni es indivisible, ni es una unidad de todo tipo de materia, ni es una unidad homogénea de un elemento químico, ni posee las propiedades de este.

El atomocentrismo ya no está justificado: la materia está formada por especies químicas (a su vez formadas por núcleos y electrones). El átomo solo es un caso particular de especie química (un sistema eléctricamente neutro formado por un único núcleo y un cierto número de electrones). No necesitamos el concepto de átomo para definir otras especies químicas (ion, molécula, metal, etc.). Ha llegado la hora de desatomizar la Química.

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Química alojado en el blog molesybits

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[*] «The nineteenth century may be characterized as the century of the atom, the century in which the atomic particle made its serious entry into science. Much of the chemical activity of the century was expended toward understanding the concept and making it useful in chemistry. The twentieth may be looked upon as the century of the electron, a subatomic particle which related the atom to spectroscopy and led to a new understanding of chemical combination.» (A. J. Ihde, The Development of Modern Chemistry, New York: Harper & Row, 1970, p. 473).

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El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

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