Gaur egungo Kimika, esperimentala? (I) Hastapenak

Jon Mattin Matxain

Gaur egungo gizarteko ia edozein esparrutan (Kimika fakultateetako ikasleen artean eta hein batean irakasleen artean ere) Kimika esperimentala den galdetuz gero, gehiengo nagusiak baietz erantzunen luke, dudarik gabe. Kimikariak laborategian lanean irudikatzen ditugu, osagai kimikoak nahasten, bata jantzita dutela, ondoko irudian bezala (1. irudia). Arrazoi historikoak daude horretarako, garbi dago. Baina, gaur egungo kimika bakarrik esperimentala al da? Galdera sinple honek erantzun konplexua du, eta egoki erantzuteko sarrera anitzeko seriea prestatu dugu, gaurkoan lehenengoa duzuelarik.

Kimika bakarrik esperimentala den ala ez jakiteko, lehendabizi zer den eta nola antolatuta dagoen aztertu behar dugu. Egipteratik eratorritako hitz hau mundu guztiari ezaguna egiten zaio, baina askotan zer den, zertan datzan, ez dago garbi. Zientzia mota bat dela argi dugu, baina, zer da zehazki? Ondorengo moduan definitzen ahal dugu Kimika:

“Kimika materiaren konposizio, egitura eta propietateak, eta beraien prozesu kimikoetan zehar jasandako eraldaketak aztertzen dituen zientzia da”.

Kimikak historikoki izandako eboluzioa dela eta, diziplina berriak sortu izan dira bere baitan. Honek kimika modu desberdinetan sailkatzeko bidea ireki zuen: alde batetik, aztertutako materialen arabera (kimika organikoa, ezorganikoa, etab) eta bestetik, materia aztertzeko moduaren arabera (kimika analitikoa, kimika fisikoa etab). Kimika kuantikoa (teorikoa) azken horren baitan sartuta egon ohi da, beheko irudian ikus daitekeen moduan. Horrela, kimika batez ere esperimentala den zientziaren ideia oso hedatua dago.

Serie hau osatzen duten artikuluetan zehar ideia hau, gaur egun, justifikatuta dagoen ala ez ikusiko dugu. Gaurkoan, Kimikaren eta bere teorien bilakaera aztertuko dugu, Kimika Zientzia moduan jaio zenetik Kimika Kuantikoa garatzen hasi baino lehenagoko garaia arte. Horretarako, 200 urte baino gehiago egin behar dugu atzera denboran, Kimikaren jaiotzaraino, XVIII. Mendeko bukaeraraino alegia. Garai hartan lan egin baitzuen Kimikaren aitatzat hartzen den Lavoisier. Garai hartan, ordea, materiaren izaeraren nondik norakoak ez ziren gaur bezain ezagunak. Guretzat atomo eta molekulen izaera eta existentzia ezaguna bada ere, garaiko kimikarientzat ez. Horrela, elementu eta substantzia desberdinen izaera eta eraldaketen inguruko teoria gutxi zeuden, eta guztiz enpirikoak ziren, hau da, behaketa esperimentalean oinarrituak ziren. Horrela, Daltonek XIX. mendearen hasieran argiratu zuen bere atomoaren modeloa, lehenengo teoria atomista zientifikotzat jo daitekeena.

Mendea aurrera joan ahala, molekulak atomo desberdinen konbinazioaz sortzen zirelako ebidentziak aurkitzen joan ziren, eta horrela, XIX. mendea aurrera zihoalarik, molekulen kontzeptualizazioa garatu zen, beti ere datu esperimentaletatik abiatuta. Adibide gisa, elementu kimiko puruen ebidentzia eta elementu desberdinen afinitateak eta egonkortasunak aztertuz, Loschmidtek 1861. urtean etilenoaren eta azetilenoaren ereduak proposatu zituen, eta 1865. urtean Hoffmanek eta Kekulek “ball & stick” modeloa eta bentzenoaren egitura eta erresonantzia proposatu zuten, hurrenez hurrez. Elementu desberdinen atomoen inguruko ezagutza enpirikoa ere asko garatu zen mende horretan zehar. Horrela, elementuen propietate asko eta atomoen masa aztertu eta neurtu zituzten kimikariek. Hauek kontutan harturik, Mendeleevek elementuen lehenengo taula periodikoa proposatu zuen, elementuen propietateak bere atomoen masarekin lotuta (ikusi beheko irudia). Zoritxarrez, atomoaren egituraren inguruko teoria fisiko sendorik ez zegoen oraindik, eta honen ondorioz, Mendeleeven taulak, propietate asko azaldu arren, ezin zituen guztiak azaldu.

Atomoaren izaera, XIX. mendearen bukaera aldean, kimikarien interesa bakarrik suspertzen zuen. Garaiko fisikariek beste kezka batzuk zituzten. Newtoni esker, grabitazioaren teoria ezaguna zen XVII. mendetik, eta XIX. mendeko 60. hamarkadan bertan Maxwellek elektrizitatea eta magnetismoa teoria bakarrean biltzea lortu zuen. Horrela, fisikariak fenomeno guztiak azaltzeko teoriak garatuta zirela sinetsiak zeuden. Atomoa eta molekulen izaera, lege hauen aplikaziotik ondorioztatuko ziren. Baina, mendearen bukaeran, ikuspuntu hau aldatuko zuen aurkikuntza bat gertatu zen: Thompsonek elektroia aurkitu zuen 1897. urtean. Elektroiaren masa ezagutzen zen atomo arinena baino 2.000 aldiz txikiagoa zen! Hau da, atomoa (ezin zatitu daitekeena, grekeraz) osagai txikiagoz osatuta zegoen! Honetaz gain, elektroiak karga negatiboa zuen, eta atomoak neutroak ziren. Non zegoen elektroien karga negatiboa berdintzeko beharrezkoa zen karga positiboa? 1911. urtean egindako esperimentuan, Rutherfordek atomoaren karga positiboa (eta masa gehiena) nukleoan zegoela ikusi zuen. Bere atomoaren modelo planetarioa aurkeztu zuen: elektroiak nukleoaren inguruan bueltaka zebiltzan, planetak eguzkiaren inguruan bezala.

Modelo honek ezin zituen hainbat fenomeno azaldu, eta okerrago oraindik, ezagutzen ziren teorien arabera atomoa ezin zen modelo honen araberakoa izan (hurrengo atalean so eginen diogu honi). Kimikaren ikuspuntutik, ordea, molekulen arrazionalizaziorako ezinbestekoa izan zen. Horrela, Lewisek, 1916. urtean, lotura kimikoa elektroien konpartitzearen kontzeptua zabaldu zuen. Atomoak eta molekulak Lewisen egiturak erabilita irudikatzen ahal dira. Honek, kimikan, hiztegi berria ekarri zuen, molekula kontzeptualizatzeko hizkuntza bat sortu baitzen, aurretik zegoenari gehituta: elektroi-pare marra gabe, egituren erresonantzia, atomo (molekuletan), lotura kimikoa, etab.

Laburbilduz, lehen aldiz, kimikariek eta fisikariek antzeko problema zientifikoei erreparatu zieten eta abian jarri zuten, bi zientzien arteko elkartrukea. Kimikariek urteetan zehar garatutako hiztegia zuten, baina honen inguruko fisika-hiztegia sortzeko, atomoa azaltzeko, Teoria Fisiko berria garatu arte itxoin behar izan zuten. Baina hori hurrengorako utziko dugu.

Egileaz:

Jon Mattin Matxain (@TxoniMatxain), EHUko Kimika Fakultateko eta Donostia International Physics Center DIPCko ikertzailea da, eta “Nola ikasi kimika kuantikoa izutu gabe” blogaren egilea.

Gaur egungo Kimikari buruzko artikulu-sorta

1. Gaur egungo Kimika, esperimentala? (I) Hastapenak
2. Gaur egungo Kimika, esperimentala? (II) Hiztegi berria
3. Gaur egungo Kimika, esperimentala? (III) Kimika Kuantikoaren Jaiotza
4. Gaur egungo Kimika, esperimentala? (IV) XXI. mendeko laborategiak