Agua, molécula fundamental (IV): Filosofía de la Química

Eligiendo el agua como hilo conductor hemos podido hablar de los fundamentos de la Química (estructura molecular y enlace químico en el primer artículo de la serie Agua, molécula fundamental y de la reactividad química en el tercer artículo) y de las propiedades físicas (en el segundo artículo de la serie). Ahora vamos a reflexionar químicamente sobre el agua como combinación química de oxígeno e hidrógeno, es decir, como compuesto.

¿Qué es un compuesto? Un compuesto químico es una sustancia que resulta de la combinación química de dos o más elementos químicos y que presenta una composición química fija, característica e independiente del proceso de obtención (síntesis). Esta definición de compuesto es la que se obtiene de aplicar la segunda ley  ponderal de las combinaciones químicas: La ley de Proust o ley de las proporciones definidas.

Placa en honor a Proust en Segovia. Fuente: profeblog.

Proust (1754-1826) enunció en 1799 que cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto lo hacen en una relación de masas (antaño, pesos) que es constante, invariables, propia de ese compuesto e independiente del método de preparación del mismo. Actualmente, especialmente en los libros de Química y manuales de didáctica de la Química más recientes, esta ley es enunciada en términos de moles de los elementos constituyentes del compuesto: cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto lo hacen en una relación de moles que es constante, propia de ese compuesto e independiente del proceso de síntesis. Volviendo a la época de Proust, por aquel entonces, el químico francés Berthollet (1748-1822) había observado en sus experimentos que un mismo compuesto no siempre tenía la misma composición. ¿Era eso posible?  Proust y Dalton(1766-1844) achacaron este hecho a errores experimentales en los trabajos de Berthollet y a que éste realmente trabajaba con mezclas pero lo cierto que es había parte de razón en los argumentos del químico francés. Berthollet trabajó con compuestos que no tenían una composición fija sino una composición que oscila en un rango restrigido. Estos compuestos hoy se denominan compuestos no estequiométricos pues no obedecen la ley de Proust y, por herencia histórica, también se denominan bertóllidos, en contraposición con los compuestos daltónidos, la gran mayoría, que son los que sí cumplen la ley de Proust. Algunos óxidos de hierro y sólidos inorgánicos semiconductores son ejemplos de bertóllidos pues dada su estructura (con defectos reticulares que permiten la ausencia o exceso de algunos iones) es posible que presenten una composición que no es fija sino variable, eso sí, dentro de un rango limitado de composición. Es lo que en Filosofía de la Química se llamaría la primera crisis del concepto de compuesto.

El agua es un daltónido (con fórmula ampliamente conocida y aceptada por la comunidad química desde 1858), por lo que esta primera crisis del concepto de compuesto no le afecta. Sin embargo, veremos que sí se ve afectada por otra segunda crisis. Como es sabido, no todos los átomos de hidrógeno son iguales en masa. Protio (1H), deuterio (D o 2H)  y tritio (T o 3H) son los tres isótopos del hidrógeno con 0, 1 y 2 neutrones y por tanto 1, 2 y 3 nucleones (protones+neutrones) en su núcleo, respectivamente. Lo mismo ocurre con el oxígeno que presenta 3 isótopos: 16O, 17O y 18O. Esto hace que no todas las moléculas de agua sean iguales. Sólo atendiendo a los isótopos del hidrógeno y considerando un único isótopo del oxígeno (16O, el más abundante), tendremos varias moléculas de agua posibles: H2O, HDO, D2O (agua deuterada), HTO, DTO y T2O (agua tritiada). A este tipo de especies se las denomina isotopómeros.

Pléyade de isótopos del hidrógeno. Fuente: mathscinotes.

Si aplicamos la definición de compuesto basada en la ley de Proust, estas especies serían compuestos diferentes pues la relación de masas entre sus elementos es distinta. Sin embargo, si aplicamos la definición moderna de compuesto basada en la relación de moles de sus elementos integrantes, estas especies serían distintas moléculas del mismo compuesto pues la relación moles de elemento hidrógeno/ moles de elemento oxígeno es la misma tal y como podemos comprobar al observar las ecuaciones químicas siguientes:

2H2 + O2  →2H2O

2D2 + O2  →2D2O

2T2 + O2  →2T2O

En todos los casos, 2 moles de elemento hidrógeno (en su distintos isótopos) se combinan con 2 moles de elemento oxígeno (en sus distintos isótopos, no especificados en las ecuaciones químicas anteriores) para formar 2 moles de agua. La pregunta que surge es: ¿Son H2O, D2O y T2O el mismo compuesto? LLegamos a la segunda crisis del concepto de compuesto. De acuerdo a la definición basada en masa, no. Basándonos en la definición basada en moles, sí. Sin embargo, un compuesto químico se caracteriza por presentar unas propiedades físicas y químicas características y las propiedades del agua corriente respecto al agua deuterada y tritiada son significativamente distintas. De hecho, incluso en términos biológicos, es posible establecer diferencias entre el agua corriente y el agua deuterada pues esta última es incapaz de mantener la vida dada su lenta velocidad de difusión a través de las membranas celulares. Si bien hay mayor diferencia en las propiedades físicas (más influenciadas por la masa) que en las propiedades químicas (la energía de enlace D-O es mayor que la energía de enlace H-O lo cual tiene consecuencias en la reactividad química y en su cinética), existe más o menos unanimidad en considerar que agua corriente, agua deuterada y agua tritiada no son la misma sustancia. Sin embargo, algunos químicos y filósofos de la Química sostienen que el agua es un caso excepcional. ¿Por qué?

Un cubito de hielo de agua pesada se hundiría en el agua líquida a diferencia del agua corriente (con protio como isótopo de hidrógeno). Fuente: mathscinotes.

Todos recordaremos de nuestras clases de Química Orgánica y Bioquímica el marcaje isotópico. En una molécula remplazamos un isótopo de un elemento por otro que podamos seguir mediante técnicas instrumentales de modo que podamos obtener información sobre el mecanismo de las reacciones químicas (sobre todo, orgánicas). Bien, en estos casos, estamos trabajando con compuestos que sólo difieren en uno de los isótopos de uno de sus átomos integrantes con lo que la relación de masas será distinta y en todo rigor, no serían compuestos iguales de considerar la relación de masas como criterio fundamental. Sin embargo, dado que el comportamiento químico es el mismo o prácticamente idéntico (de no ser así el marcaje isotópico no tendría ningún sentido), ningún químico diría que son compuestos distintos. Son lo que en Química se denominan isotopómeros: especies que difieren en la composición isotópica de al menos uno de sus elementos integrantes.

Volviendo al agua. ¿Podemos considerar al H2O, D2O y T2O como isotopómeros?Aquí encontramos la polémica. Para algunos químicos son isotopómeros extremos en los que las diferencias en propiedades físicas y químicas son tan significativamente diferentes que podrían considerarse sustancias distintas, pero dado que la relación de moles es la misma, siguen siendo la misma sustancia. Para otros, son sustancias diferentes por tener propiedades significativamente distintas. ¿Véis el problema? A la hora de definir un compuesto no nos sirve la idea de composición constante, pues sólo sirve para los daltónicos. Tampoco nos sirve la idea de relación de moles constante, pues plantea un problema para las distintas moléculas de agua. La definición basada en relación de masas haría que un compuesto orgánico marcado isotópicamente se considerase en todo rigor un compuesto distinto al no marcado, lo cual no tiene sentido pues su química es prácticamente idéntica. Esto, queridos lectores, es la crisis del concepto de compuesto.

Ejemplo de marcaje isotópico, técnica habitual en Química Orgánica y Bioquímica. 

Sin duda es un tema que sigue abierto al debate y en el que aún queda mucho que decir. Como resumen podemos decir que existen dos posibles opciones, ambas válidas siempre y cuando el químico tenga claro la complejidad y las implicaciones del problema que estamos analizando:

Criterio diferenciador. Un compuesto viene dado por una relación de masas de sus elementos integrantes constante, pudiendo ser fija (daltónidos) o variar en un rango restringido (bertóllidos), presentando unas propiedades físicas y químicas propias y características. De acuerdo a este criterio, agua pesada y agua “corriente” serían sustancias distintas. Un compuesto orgánico y su análogo marcado isotópicamente serían en todo rigor compuestos diferentes pese a tener una química prácticamente idéntica, con diferencias en su cinética.

Criterio unificador. Un compuesto viene dado por una relación de moles de sus elementos integrantes constante, pudiendo ser fija (daltónidos) o variar en un rango estrecho (bertóllidos), con propiedades físicas y química definidas, propias y características. Así, un compuesto orgánico marcado y su análogo sin marcar serían dos isotopómeros del mismo compuesto. De acuerdo con este criterio, agua “corriente” y agua pesada serían isotopómeros extremos con propiedades químicas y físicas diferenciadas significativamente. Un caso límite del criterio unificador para la definición de compuesto.

En definitiva, para el caso de los distintos tipos de moléculas de agua, la diferencia de masas entre un isótopo de hidrógeno y otro es más acusada que en ningún otro elemento (el deuterio tiene una masa doble a la del protio y el tritio, una masa triple; lo cual no ocurre con el resto de isótopos donde el paso de uno a otro no conlleva una variación de masa tan acusada) y podría aceptarse perfectamente que son tanto sustancias diferentes (postura más extendida en la comunidad química) o, en su defecto, isotopómeros extremos.

La masa de los distintos isótopos de hidrógeno y oxígeno influye de forma considerable en las frecuencias de vibración de las distintas moléculas de agua resultantes de la combinación de dichos elementos tal y como puede deducirse de la expresión del oscilador armónico, modelo que permite entender el enlace químico como un resorte que vibra al interaccionar con la radiación IR. El agua es activa en IR por producirse variación del momento dipolar durante la vibración (regla de selección fundamental del IR).

Encontramos pues en el agua un magnífico marco para reflexionar sobre los fundamentos de la Química y una prueba más de la necesidad de una perspectiva histórica y filosófica  a la hora de abordarlos. Éste es uno de los objetivos de mi tesis doctoral y no puedo negar que me resulta realmente fascinante. ¡Disfrutando con la Química y sus fundamentos! Y  en esta serie de posts lo estamos haciendo con única molécula: ¡El agua! En el próximo capítulo de esta serie, que ya llegará a su fin, veremos cómo el agua será fundamental para explicar la vida y nuestro entorno… ¡Biología y Geología!

Notas:

1) Este artículo corresponde a una parte de la conferencia impartida por Luis Moreno Martínez (@luisccqq) en la cuarta edición del curso de divulgación Los avances de la Química y su Impacto en la Sociedad dentro de la mesa redonda El agua, una molécula fundamental. Las diapositivas de dicha sesión están disponibles en este enlace. Para más información sobre el curso de divulgación: losavancesdelquímica.com 

2) Este post participa en la edición As del Carnaval de Química que organiza el blog La Química del Siglo XXI.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *