¿Qué es un elemento?

En cuanto a conceptos químicos, no hay nada más fundamental que el elemento. Es una de las primeras ideas que encuentra el estudiante de química, a menudo en la icónica tabulación de estos ingredientes básicos de la naturaleza que Dmitri Mendeléyev describió por primera vez hace 150 años y que se celebra este año. Sin embargo, nadie puede decir con exactitud qué es un elemento. La cuestión se debatió con mucho vigor y ocasionalmente con pasión durante una reunión de la Sociedad Internacional para la Filosofía de la Química en Bristol en julio de 2018 – pero todavía sin producir ningún consenso.

Eso no es una sorpresa. Algunas de las mentes más brillantes de la química, como Antoine Lavoisier, el propio Mendeléyev y el pionero de la química nuclear Frederick Soddy, han lidiado con ella, pero todavía una definición concisa y completa sigue siendo esquiva. Y algunos de los participantes en la reunión dieron a entender que esto podría ser lo mejor.

Para otros, es una indicación de que la química tiene que hacer una seria reflexión filosófica. La química no se entiende a sí misma como disciplina», afirma el filósofo Farzad Mahootian, de la Universidad de Nueva York, en Estados Unidos. No se trata sólo de la definición de elemento; conceptos como moléculas, enlaces e incluso el carácter de la propia tabla periódica siguen siendo confusos: aparentemente familiares por el uso habitual de los profesionales, pero carentes de un significado en el que todo el mundo esté de acuerdo. Es necesario reflexionar filosóficamente sobre aspectos de la química que solemos enseñar de forma bastante mecánica», afirma Eric Scerri, de la Universidad de California en Los Ángeles (EE.UU.), editor de la revista de filosofía de la ciencia Foundations of Chemistry.

Parece razonable esperar que la química ofrezca una definición inequívoca

El significado de «elemento» es uno de los temas favoritos de discusión entre los químicos fuera de servicio. Estamos de acuerdo (¿verdad?) en que el hidrógeno es un elemento, pero ¿qué queremos decir con eso? ¿Es el hidrógeno molecular un elemento? ¿O el átomo de hidrógeno aislado? ¿O nos referimos no a una sustancia real, sino a una noción «trascendental» de hidrógeno de la que los átomos y las moléculas reales son sólo representantes materiales?

Algunos podrían decir: ¿a quién le importa? Sabemos lo que queremos decir en la práctica. Si digo ‘El azufre es un elemento que forma un sólido amarillo de olor penetrante’, no espero objeciones. Tampoco si digo «El azufre es el segundo elemento del grupo 16 de la tabla periódica». Pero son dos cosas bastante diferentes.

Según el químico teórico Eugen Schwarz, de la Universidad de Siegen (Alemania), la actitud típica es decir ‘Sé que la forma en que hablo de los elementos no es realmente correcta, pero todo el mundo lo hace, y los estudiantes se darán cuenta al final’. Pero «mi sensación personal como químico es que no se debería adoptar este hábito», añade.

Elena Ghibaudi, de la Universidad de Turín (Italia), se preocupa de que esta falta de definición precisa de un elemento plantee problemas de comprensión, comunicación y confianza en la enseñanza. Cuando dos expertos en química discuten sobre elementos, son capaces de distinguir el significado del contexto, pero no es así en el aula», afirma.

También podría haber problemas para la comprensión pública de la química. Schwarz señala cómo, debido a que algunos elementos se asocian con sustancias tóxicas -el gas cloro, por ejemplo, o el azufre en el dióxido de azufre que se libera al quemar carbón y petróleo-, el propio elemento puede llegar a considerarse intrínsecamente tóxico y vulnerable a las prohibiciones de los analfabetos químicos. No sé cómo explicar al público que sólo algunos compuestos de un determinado elemento son tóxicos, e incluso que sólo lo son por encima de una determinada concentración, mientras que una cantidad insuficiente de ese mismo elemento puede incluso causar problemas de salud», afirma. Por ejemplo, identifica lo que no cambia en un sistema que sufre una transformación química y distingue entre cambios químicos y nucleares. Así que parece razonable esperar que la química ofrezca una definición inequívoca». Sin embargo, ¿puede hacerlo?

Tierra, viento y fuego?

Al igual que la idea de los átomos, los elementos sufren más que se benefician de una ilusión de continuidad en una larga tradición de pensamiento. La historia popular dice que los antiguos griegos pensaban que sólo había cuatro elementos -tierra, aire, fuego y agua-, pero que a partir del siglo XVIII empezamos a apreciar que hay bastante más que cuatro, y que ninguno corresponde a estos antiguos elementos. La verdad es más compleja. Por un lado, los cuatro elementos atribuidos a Empédocles y consagrados en la filosofía de Aristóteles no eran en absoluto el único esquema de los bloques básicos de la materia en el pensamiento griego. Y antes de la edad de oro de la química, a finales de la Ilustración, los sistemas de «elementos» eran bastante confusos. El médico suizo del siglo XVI Paracelso propuso tres «principios» fundamentales: el azufre, la sal y el mercurio, mientras que otros esquemas (incluyendo elementos ficticios como el flogisto) gozaron de apoyo temporal.

¿Debería cada isótopo ocupar su propio lugar en la tabla periódica?

Además, no se trataba necesariamente de alternativas en competencia. La idea de elemento, al igual que la de átomo, tenía una connotación bastante variada, y no significaba necesariamente un tipo primario de materia. Los tres principios de Paracelso, por ejemplo, se consideraban más como propiedades que como ingredientes: el azufre representaba la combustibilidad, la sal la solidez y el mercurio la fluidez.

Robert Boyle es justamente celebrado por haber aportado algo de claridad al concepto cuando, en su libro de 1665 The Sceptical Chymist, propuso que un elemento era una sustancia que no podía reducirse («analizarse») a algo más simple. Pero la definición de Boyle sólo indica cuándo se tiene un elemento, y no qué es un elemento y qué distingue a uno de otro. Y es muy provisional, rehén de tu capacidad de análisis. ¿Cómo puedes estar seguro de que tienes un elemento y no sólo un compuesto que nadie ha encontrado aún la forma de dividir en sus ingredientes? De hecho, no se podía, por lo que los óxidos difíciles de dividir, como la alúmina y la sílice, aparecen como elementos en listas del siglo XVIII como la del influyente Traité Élémentaire de Chimie de Antoine Lavoisier de 1789. Lavoisier siguió a Boyle al afirmar que un elemento representa la etapa final del análisis.

John Dalton aportó algo más fundamental a la definición de Lavoisier cuando afirmó en 1808 que las propiedades específicas de los elementos derivan de las de sus átomos constituyentes, visualizados como diminutas partículas duras y esféricas. A mediados de ese siglo, Mendeléyev reconoció que los distintos elementos tienen pesos atómicos diferentes, y al elaborar su tabla periódica utilizó una ordenación de los elementos basada en su peso atómico. (Él mismo utilizó el término «peso elemental», ya que no creía en los átomos.)

Los descubrimientos de radioquímicos como Soddy, y de físicos como Ernest Rutherford y Henry Moseley, permitieron comprender en la década de 1920 que la propiedad más fundamental de los átomos de un elemento es su número atómico Z -el número de protones de sus núcleos-, que es el mismo para todos los átomos de un elemento determinado. Francis Aston descubrió en 1922 los isótopos, que tienen el mismo Z pero diferente masa atómica. Pero si Z difiere para dos átomos, son elementos diferentes.

¿Qué entendemos por «carbono»? El diamante, un átomo con Z = 6 o C60

Al principio, sin embargo, los isótopos lanzaron un gato entre las palomas. Su descubrimiento supuso un reto para la definición de elemento», dice Ghibaudi. Hubo un animado debate sobre el concepto de elemento químico entre químicos y físicos. La cuestión era si cada isótopo debía ocupar su propio lugar en la tabla periódica». En 1923, un comité internacional acordó basar la identificación del elemento químico en el número atómico en lugar del peso atómico.

Esto, se podría pensar, podría haber sido el final del asunto: los elementos se definen por Z. El problema es que no es exactamente así como los químicos utilizan la palabra. En un artículo fundamental sobre la definición de los elementos en 1932, el químico alemán Friedrich Paneth admitió dos definiciones diferentes, que denominó Einfacher Stoff -traducida típicamente como «sustancia simple»- y Grundstoff, o «sustancia primaria/básica». La primera se refiere a la noción de Lavoisier de materia real, física, que no puede reducirse por métodos químicos a ingredientes más básicos; la segunda, a una noción abstracta: «oxígeno», por ejemplo, como un tipo de átomo con Z = 8.

Ghibaudi duda de que hayamos superado el dualismo de Paneth incluso ahora. La Iupac da actualmente una doble definición de ‘elemento’ en su ‘Libro de Oro’ de terminología química, que dice que la palabra puede referirse tanto a una ‘especie de átomo’ (que Ghibaudi ve como algo parecido a la ‘sustancia básica’ de Paneth) o, más bien tautológicamente, a una ‘sustancia elemental pura’.

Este doble significado es incómodo. Si buscamos «oxígeno» en una página web de elementos, es probable que nos digan que tiene Z = 8, y quizás una configuración electrónica y una posición concreta en la tabla periódica, pero también que es una sustancia altamente reactiva con la fórmula O2 y un punto de ebullición de -183°C. Según el químico Mark Leach, que dirige el sitio web de recursos químicos meta-synthesis.com, se trata de una confusión chapucera de dos tipos de datos bastante diferentes: uno referido a la «sustancia básica» de Paneth (un ideal abstracto) y otro a su «sustancia simple» (una sustancia real). Seguramente eso no puede ser bueno…

Además, dice Leach, toda nuestra noción de la tabla periódica mezcla las dos cosas de forma torpe. Podríamos imaginar que se trata de una tabulación de «sustancias básicas», que es más o menos como la veía Mendeléyev. Pero toda la noción de periodicidad se refiere a propiedades químicas reales de la materia: la valencia en los compuestos químicos, propiedades como la energía de ionización, el carácter metálico, etc. Si la sustancia básica sólo tiene la propiedad Z, sólo hay una simple lista», dice Leach. ¿De dónde viene entonces la estructura de la tabla periódica?»

Algunas representaciones populares de la tabla periódica muestran incluso fotos de las formas materiales «simples» de los elementos: diamante o grafito para el carbono, etc. Así que es una mezcla confusa – y tal vez tiene que ser. Se necesita un compromiso juicioso de las propiedades básicas y simples para construirlo», dice Scerri.

Este no es un asunto trivial. Todavía se discute, por ejemplo, si los elementos por debajo del itrio en el grupo 3 deben ser lantano y actinio, o lutecio y lawrencio. La disputa se reduce a si se cree que la tabla debe reflejar características «fundamentales», como la configuración electrónica, o observables, como el comportamiento químico. Estos argumentos se vuelven aún más ambiguos una vez que los efectos relativistas (debido a las altísimas velocidades de los electrones de la capa interna) empiezan a hacer estragos en la periodicidad química entre los elementos superpesados creados por el hombre.

Esto se pone pesado

No es la única complicación que introducen los superpesados. La confusión sobre si un elemento es «materia» o «concepto» proviene del hecho de que en el pasado han sido ambas cosas. Pero, ¿tiene un nuevo elemento la misma pretensión de realidad cuando sólo existe como un puñado de átomos que son estables durante menos de un segundo, como es el caso de algunos de los elementos artificiales más recientes, como la tennessina? Si los elementos se definen en parte por sus propiedades químicas, ¿dónde deja eso a los elementos que no existen el tiempo suficiente para participar en ninguna interacción química significativa y que, en cualquier caso, sólo se fabrican como iones altamente cargados que nunca adquieren un complemento completo de electrones? ¿En qué sentido son elementos si sólo duran uno o dos milisegundos?

¿En qué sentido son elementos si sólo duran uno o dos milisegundos?

La radioquímica siempre se ha sentido un poco incómoda dentro del establo de la química. Una forma común de pensar en los elementos químicos es como las «cantidades conservadas» de la química. Al igual que la masa y la energía nunca se destruyen en física (aunque, por supuesto, pueden interconvertirse), la regla fundamental de conservación de la química es que los elementos persisten: nunca se sale de una reacción con menos carbono del que se empezó. Pero en la radioquímica, donde un elemento puede decaer en otro, sí lo hace. Si esto hace que la radioquímica forme parte de la química ha sido objeto de disputa desde sus primeros días, cuando los comités Nobel de física y química competían por quién debía conceder los premios a personas como los Curies y Rutherford (ambos ahora «reclamados» por la química en los nombres de los elementos).

Esa guerra territorial nunca ha terminado, como atestiguan las últimas disputas entre las Uniones Internacionales de Física y Química Pura y Aplicada (Iupap y Iupac) sobre quién debe pronunciarse sobre la confirmación de nuevos elementos. Los físicos afirman que sólo ellos tienen la experiencia suficiente para juzgar las afirmaciones de los experimentos de destrucción de átomos con aceleradores de partículas. Pero a los químicos no les gusta que sea otro grupo el que determine lo que se incluye en su icono más preciado, la tabla periódica.

Sea cual sea la decisión, estos nuevos elementos no son algo que se pueda tener en la mano. Destacan la nueva relevancia de las escalas de tiempo. Podría decirse que cualquier fusión de núcleos que dure más que la escala de tiempo típica de la dispersión nuclear, alrededor de 10-10 s, podría calificarse como la formación de otro elemento. Pero, ¿una unión medida en nanosegundos lo justifica realmente, o es simplemente una especie de resonancia? Por eso, dice Schwarz, «cuando hablamos de elementos debemos hablar también de escalas de tiempo». Se pregunta si un «elemento» debería ser al menos una entidad capaz en principio de formar moléculas. La química es un oficio y una ciencia de materiales reales», añade, pero «para los físicos, un núcleo es un elemento». El Iupac, por su parte, ha anunciado recientemente nuevos criterios para el descubrimiento de elementos superpesados que afirman que la escala de tiempo de existencia para optar al estatus de elemento es de sólo
10-14s.

La cosa en sí

El problema de los elementos muestra que, como dice Scerri, la química necesita filosofía. La cuestión del «elemento químico», al igual que otras cuestiones de la química, como las nociones de sustancia y estructura, plantea cuestiones filosóficas, por lo que no puede resolverse sin recurrir a ideas de la filosofía», afirma Ghibaudi. En cierto modo, la cuestión se remonta a Platón, cuya noción de formas intangibles «ideales» sustentaba su visión de las entidades físicas reales. La «sustancia básica» abstracta de Paneth también se discute a veces en términos de la noción de Immanuel Kant del Ding an sich -la «cosa en sí misma», o el aspecto fundamental de la realidad más allá del alcance de nuestros (falibles) sentidos.

¿La definición «básica» de un elemento contiene todas las características «simples» dentro de él?

Pero si se trata de una cuestión filosófica que no puede ser resuelta por el empirismo, ¿quizás sólo tengamos que hacer una elección entre la ‘sustancia básica’ de Paneth y la ‘sustancia simple’ como definición de un elemento? Algunos investigadores creen que sí. Scerri, por su parte, sugiere que la naturaleza de un elemento no es meramente dual, sino triple: lo que importa de la sustancia de un elemento no son sólo las propiedades de la materia prima, sino las de sus compuestos. Después de todo, una de las maravillas permanentes de la química es que, en el cloruro de sodio, no queda ningún rastro del metal gris reactivo ni del gas verde venenoso.

Introducir una nomenclatura distinta para las definiciones «simple» y «básica», de modo que las moléculas de dihidrógeno dejen de considerarse como «el elemento hidrógeno», requeriría reformar un lenguaje químico muy arraigado. Pero Sarah Hijmans, de la Universidad París-Diderot (Francia), se pregunta si es necesario ir tan lejos. Tal vez, sugiere, podríamos considerar la palabra «elemento» como una palabra informada por ambas definiciones. Dice que en la época de Lavoisier no había más remedio que optar por la definición analítica, porque no entendíamos casi nada de lo que distingue a los elementos a nivel fundamental. Poco a poco, la balanza se ha inclinado más hacia una definición «fundamental» en términos de Z. Pero está claro que el punto de vista empírico, «químico», sigue teniendo valor, como ilustra la tabla periódica.

Tal vez la cuestión sea si los dos están realmente en conflicto. En un sentido, no hay nada terriblemente significativo para los químicos sobre Z en absoluto, ya que el núcleo juega casi ningún papel directo en el comportamiento químico. El número de protones es sólo una aproximación a lo que importa para la química: el número de electrones, así como su configuración y energías.

Pero éstos, dado un Z particular, están predeterminados por las reglas de la mecánica cuántica. Se pueden predecir. Y a partir de esa información podemos, en principio, predecir gran parte del comportamiento químico, como los tipos de compuestos que formará el elemento. Incluso podemos predecir las propiedades físicas de algunos elementos: formas alotrópicas, puntos de fusión, etc. Entonces, ¿la definición «básica» de un elemento contiene todas las características «simples» que se revelarán a medida que mejoren nuestras capacidades de cálculo?

Tal vez, sin embargo, tengamos que aceptar que una cierta vaguedad siempre rodeará la noción de elemento. Y quizás eso no sea tan malo. Los químicos, después de todo, están acostumbrados a ello: como ha señalado el premio Nobel Roald Hoffmann, siempre utilizan conceptos que no tienen una definición única y precisa, como la electronegatividad y el radio iónico, sin que eso disminuya su valor para el campo. La vaguedad desempeñó un papel útil en el pensamiento», dice Mahootian. Tal vez lo que importa no es la vaguedad en sí misma, argumenta, sino asegurarse de que no es una mera chapuza.

Entonces, ¿qué es el carbono? La respuesta, dice Schwarz, podría depender de con quién estemos hablando. Para diferentes audiencias y diferentes propósitos podría ser hollín; podría ser el elemento seis, podría ser una mezcla natural de isótopos o un componente del metano. Realmente, es elemental.

Philip Ball es un escritor científico con sede en Londres, Reino Unido