Gaur egungo Kimika, esperimentala? (III) Kimika Kuantikoaren Jaiotza

Jon Mattin Matxain

Artikulu sorta honen bigarren atalean Mekanika Kuantikoak Kimika azaltzeko beharrezkoak ziren ekuazioak ematen zizkigula ikusi genuen. Hau horrela izanda, bi arazo nagusi topatu genituen. Alde batetik, ekuazio hauek oso konplexuak ziren ebatziak izateko, eta bestetik, zaila zen Mekanika Kuantikoak sortutako hiztegi berria Kimikako hiztegi enpirikoarekin uztartzea. Gaurko artikulu honetan, aztertuko dugu zientzialariek arazo hauei nola aurre egin zieten 1920-1940 tarteko bitarteko hamarkadetan. Aurrerapen gisa, esanen dugu ekuazioen arazoari irtenbidea aurkitzen zihoazen heinean, hiztegiaren arazoa ere konpontzen zihoala, lehenak bigarrena zekarrelarik.

Hortaz, lehenik eta behin, ekuazio konplexuegien arazoari eginen diogu so. Ekar ditzagun gogora lehenago hiru gauza: Kimika, oro har, molekulen zientzia da, eta molekulak atomo bat baino gehiago elkartzean sortzen dira.
Atomoak positiboki kargatuta dagoen nukleoak eta bere inguruan mugitzen diren eta karga negatiboa duten elektroiek osatzen dituzte. Atomoen masa gehienbat nukleoan dago (nukleo arinenak elektroiak baino 2000 aldiz handiagoa den pisua du).

Kimikak molekulen propietateak eta erreaktibitatea aztertzen dituen moduan, gure ekuazio kuantikoek fenomeno berdinak aztertzeko balioko digute. Halabeharrez, ekuazio hauek molekulak osatzen dituzten atomoen nukleoak eta elektroiak kontutan hartu behar dituzte. Horrela, matematika esparruan ebatzi ezin ziren ekuazioak lortzen ziren, molekulen osagai hauek guztiak eta beraien arteko elkarrekintzak kontutan hartzen zirenean.

Honen ondorioz, ekuazioak sinplifikatzeko metodo hurbilduak garatu behar ziren, Kimikaren barruan diziplina berria sortu zelarik: Kimika Kuantikoa, Kimika, Fisika eta Matematikaren arteko zubietako bat sortuz. Metodo hurbildu horien garapenetik, hiztegi berria sortu zuen Kimika Kuantikoak, aurreko bi hiztegiak elkartuz. Hortaz, beheko irudian ikus daiteke ekuazio konplexuen soluzioa bilatzeko orduan erabilitako metodo hurbilduetatik sortutako kontzeptuek zubi bat eratu zutela Mekanika Kuantikoaren hiztegia eta Kimikaren hiztegi enpirikoaren artean. Kimika Kuantikoaren hiztegia gaur egungo Kimikaren hiztegian guztiz barneratuta dago.

Azter dezagun pixka bat sakonago Kimika Kuantikoko ekuazioen soluzioetatik sortutako kontzeptu hauen sorrera eta esanahia. Aurretik esan dugun moduan, molekula baten propietateak aztertzeko askatu beharreko Schrödingerren ekuazioak molekularen nukleo eta elektroi guztiak nola higitzen diren azaldu behar zuen, osagai hauen artean dauden elkarrekintza guztiak kontutan harturik. Nukleoen masa elektroiena baino milaka aldiz handiagoa izanik, askoz ere mantsoago mugituko dira. Hau buruan izanda, ekuazioa askatzeko lehenengo hurbilketa proposatu zuten Bornek eta Oppenheimerrek. Nukleoen eta elektroien mugimendua desakoplatuta dagoela onartuta, askatu beharreko ekuazioa bitan banatu zuten. Lehenengoak elektroien mugimendua azalduko luke eta bigarrenak nukleoen mugimendua. Horrela, askatu beharreko ekuazioa ekuazio elektroniko eta ekuazio nuklearrean banatu zuten. Horri, Born-Oppenheimer hurbilketa deritzo.

Ekuazio elektronikoa zehazki elektroi bakarreko molekulen kasuan aska daiteke, eta horren ondorioz, hurbilketa gehiago egin behar dira. Hubilketa hauetatik egungo Kimikan ezagunak egiten diren kontzeptuak sortu ziren. Adibidez, orbitalak, orbitalen hibridazioa (Paulingen eskutik), eta Lewisen eredua jarraituz, Balentzi-Loturaren Teoria (Heitler eta Londonen eskutik). Honen arabera, molekulan ondoan dauden bi atomoen orbitalak konbinatuz sortzen dira lotura kimikoak, goiko ezkerreko irudian ikusten ahal den moduan. Teoria honek, tamalez, ezin zituen azaldu molekulen hainbat propietate. Aldi berean, Mulliken eta beste batzuen eskutik, Orbital Molekularren teoria garatu zen. Teoria honen arabera, orbital molekularretan ez dute bakarrik ondoan dauden bi atomok parte hartzen, molekula osoan dauden atomo guztiek baizik, goian eskuinean dagoen irudian ikus daitekeen moduan. Laburbilduz, Balentzia Loturan orbital molekularrak bi atomoen artean lokalizatuta daude, eta Orbital Molekularren teorian, deslokalizatuta molekula osoan.

Elektroien mugimenduak duen energia, nukleoen arteko elkarrekintzarekin batera, nukleoen mugimendua definituko duen energia potentzial gainazala (EPG) zehazten du. Goiko irudian, orokorrean EPGek duten itxura ikus daiteke. Nabaria denez, paisai menditsuaren antza du. Adibide hau buruan izanda, paisaiaren minimoek (bailarek) molekula desberdinen egiturak adieraziko lituzkete. Bailara bakoitzean, putzu bakoitzean, molekula baten nukleoek bibratu eta erratzen zutela adierazten zuten ekuazioek. Horrela, molekularen egitura, propietateak eta erradiazio elektromagnetikoarekin zuten elkarrekintza aurresan zitezkeen, mikrouhin, infragorri, ultramore/ikuskorrean eta abar lortutako espektroak azalduz.

Hori ez ezik, molekulen arteko erreaktibitatea ere aurresan zitekeen. Bailara desberdinek erreaktibo eta produktu desberdinak adierazten zituztela ikusi zuten, eta bailaren arteko lepoek, hauen arteko trantsizio egoerak. Hortaz, ikusi zuten lotura zuzena zutela EPGek erreakzio kimikoetan esperimentalki neurtzen diren propietate Termodinamiko eta Zinetikoekin. Horrela, teoria azalpen bat eman zitzaien propietate horiei.

Laburbilduz, Kimika Kuantikoak Kimika, Fisika eta Matematikaren arteko zubi sendoa osatu zuen, Mekanika Kuantikoaren ekuazioak molekuletan aplikatzean, aurreko hiztegi kimiko enpirikoa eta Mekanika Kuantikoak sorturiko hiztegi fisiko berriaren arteko zubia eskaini ere bai, tresna matematikoak erabilita. Bazirudien Kimika ez zela esperimentala bakarrik izanen. Baina, ebatzi beharreko ekuazioak konplexuak izaten jarraitzen zuten, eta eskuz askatu behar ziren garai haietan. Hori dela eta, molekula txikien kasuetan bakarrik lortu ziren aurrerapenak. Bitartean, kimika esperimentalaren aurrerapena askoz ere handiagoa izan zen, eta honek Kimika Kuantikoa kimikaren esparru txiki batean utzi zuen. Gauzak, ordea, aldatuz joan ziren 1960ko hamarkadatik aurrera, ordenagailuei esker. Baina hori sortaren hurrengo atalerako 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.

Sarrera honek #KulturaZientifikoa 1. Jaialdian parte hartzen du.

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