Gaur egungo Kimika, esperimentala? (II) Hiztegi berria

Jon Mattin Matxain

Artikulu sorta honen aurreko sarreran, ikusi genuen fisikariek eta kimikariek 1900. urtearen inguruan erreparatu zietela lehendabizikoz antzerako problema zientifikoei: Rutherfordek eta bertze batzuek (Bohr barne), 1910eko hamarkadaren hasieran plazaratu zituzten atomo eredu planetarioek izugarri eragin zioten garai hartako Kimikari. Horrela, Lewisek, eredu hauetan oinarrituta, lotura kimikoan elektroiak konpartitzen direlako kontzeptua zabaldu zuen 1916. urtean, bertze hainbat kontzepturekin batera. Urteetan garatutako “Hiztegi Kimiko” enpirikoari, Lewisek kontzeptu berriak gehitu zizkion.

Lewiseneredua, hala ere, kualitatiboa zen. Molekula askoren egitura deskribatzeko balio izan zuen, baina bere ahalmen kuantitatiboa txikia zen. Horretaz gain, hainbat fenomeno fisiko (espektro atomikoak eta argiaren uhin/partikula izaera adibidez), ezin ziren aurretik aipaturiko atomo eredu “planetarioen” eta onartuak ziren Teoria Fisiko Klasikoen bidez azaldu. Gaurko sarreran, mundu mikroskopikoan gertatzen diren fenomeno fisiko “berezi” hauek azalduko zituen Teoria Fisiko berriari buruz arituko gara, eta honen inguruan sortutako hiztegi berriari buruz ere.

XX. mendearen hasieran fisikari eta kimikariek ondo zekiten ezin zirela azaldu mundu mikroskopikoaren natura eta mundu honetan gertatzen diren hainbat fenomeno, XIX. mendean ezagunak ziren teoria fisikoak erabilita. Fenomeno fisiko “berezi” hauen artean, bazeuden espektro atomikoak, efektu fotoelektrikoa, argia eta materiaren uhin/partikula izaera, eta abar. Teoria berri bat behar zen, hots, hau guztia azalduko lukeen teoria berri bat. Gainera, fenomeno hauek guztiak materia eta argiaren izaerarekin uztartu behar ziren, eta hauen natura ez zen inondik inora guztiz ulertzen. Einsteinek argia partikulez osatua dagoela frogatu zuen 1905. urtean; horrela, azalpena eman zion efektu fotoelektrikoari (eta horri esker Nobel Saria irabazi zuen). Baina, aurretik, frogatua zegoen argia uhin moduan ere jokatzen duela. Nola zen posible hori? Bestalde, materiaren energia jarraia zela pentsatzen zen. Hortaz, nola zen posible atomoek, molekulek, eta abarrekoek, absortzio eta igorpen espektro ezjarraiak izatea? Materiaren oinarrizko izaera zein zen ezagutu behar zen, espektro hauei azalpena emateko.

Goiko irudian, hidrogeno atomoaren absortzio eta igorpen-espektroak ikusten ahal dira (behean igorpen-espektroa eta bere gainean absortzio-espektroa). Hauek, elementu bakoitzaren hatz-markak dira, eta elementu desberdinen atomoak bereizteko balio dute. Bohrek, duela 100 urte, 1913. urtean aurkeztu zuen hidrogeno atomoaren espektroak lehendabizikoz azaldu zituen eredu atomikoa, aurretik proposatutako eredu atomiko kuantikoetan oinarrituta. Eredu honetan, nukleoaren inguruan biraka dagoen elektroia energia jakin bateko egoera batzuetan baizik ezin da egon: egoera geldikorretan. Energia baxuko egoera batetik energia altuagoko bertze batera jauzi egiteko, elektroiak energia lortu behar du, baina ez edozein energia: hain zuzen, egoera jakin horien arteko energia-diferentzia behar du. Energia horiek, argia osatzen duten fotoi guztietatik batzuk (hain zuzen energia horiek dutenak) absorbatuz lortzen ahal ditu elektroiak, eta honen ondorioz, absortzio-espektroan marra ilun batzuk agertzen dira (kolore horiei dagozkien fotoiak atomoak absorbatu dituelako). Bestalde, energia maila altu batetik beherago dagoen bertze egoera batera salto egiteko, bi mailen arteko energia diferentzia duen fotoia (argia) igorri egin behar du elektroiak. Hori dela eta, igorpen-espektroan marra jakin batzuk agertzen dira (igorritako fotoiei dagokien kolorekoak). Lehendabizikoz, Bohrek espektroen itxurak azaltzen zituen atomo eredua plazaratu zuen. Baina, zoritxarrez, eredu honek hidrogeno atomorako baizik ez zuen balio. Bertze atomo guztietarako, bere eredu atomikoak huts egiten zuen, oraindik Teoria Kuantiko sendorik garatuta ez zegoelako. Hainbat Teoria Kuantiko argitaratuak ziren, baina bakoitza fenomeno fisiko “berezi” berri hauetatik batzuk bakarrik azaltzeko gai zen.

Teoria Kuantiko bateratua, fenomeno kuantikoak eta materiaren izaera azaltzen zituen Teoria, 1926. urtean heldu zen, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger, Dirac (goiko irudian) eta beste askoren eskutik: Mekanika Kuantikoa. Teoria Fisiko honen ekuazio matematikoek balio dute mundu mikroskopikoaren natura eta fenomenoak azaltzeko. Arazo “txiki” bat dago, Diracek 1929. urtean adierazi zuen moduan:

“Fisikaren zati handi baten eta kimika osoaren tratamendu matematikorako oinarrizko legeak guztiz ezagutzen dira. Zailtasun bakarra dago: lege hauek aplikatzean lortzen diren ekuazioak konplexuegiak dira askatzeko”

Hortaz, Kimika osoa deskribatzeko ekuazioak ezagunak dira, baina oso konplexuak dira askatzeko. Zehazki, bakarrik elektroi bakarreko atomo eta molekulen kasuan erresolba daitezke. Baina, molekula ia guztiek elektroi bat baino gehiago dute!

Horretaz gain, teoria berri honek hiztegi berria sortu zuen, kontzeptu eta hitz berriak sortuz: uhin-funtzioa, probabilitatea, uhin/partikula dualtasuna, elektroiaren deslokalizazioa, ziurgabetasun printzipioa, orbitalak, eta abar. Fisikarien hizkuntza hau, kimikariek erabiltzen zuten hiztegiarekin konparatuta, oso desberdina zen (ikusi goiko irudia), baina hiztegiak, desberdinak izan arren, gauza berdintsuaz ziharduten: mundu mikroskopikoaz. Nola bateratu biak? Nola lotzen ahal ziren urteetan zehar garatutako hiztegi kimikoa hiztegi fisiko berriarekin? Eta, nola erabili Mekanika Kuantikoaren ekuazio matematikoak Kimikan, molekulen kasuan ezin badira zehaztasunez askatu? Sorta honen hurrengo artikuluan eginen diegu so arazo hauei.

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