Descubrimiento y controversia: historias acerca de los elementos químicos Understand article

¿Cómo se dan los descubrimientos científicos? A pesar de que las historias populares son aquellas con ‘momentos eureka’, la realidad suele ser mucho más compleja.

A todos nos son familiares las historias sobre avances científicos que culminan con un ‘momento eureka’, que es cuando el héroe científico hace el famoso descubrimiento. Como la leyenda de Arquímedes, de quien se dice gritó ‘¡eureka!’ cuando descubrió las leyes de la flotabilidad en su bañera, estas historias normalmente se enfocan en una persona muy brillante, en un tiempo y un lugar determinados.

El descubrimiento del sistema periódico por el químico ruso Dmitri Mendeléyev a menudo se describe de esta manera, como si de pronto todos los elementos se hubieran ordenado lógicamente, de acuerdo con sus pesos atómicos y sus propiedades químicas. De hecho, el proceso de construcción de la tabla periódica tuvo lugar durante varias décadas e incluyó algunos desarrollos científicos que al final resultaron inútiles. Por lo tanto, ¿qué es un descubrimiento científico y qué tan cercana es la leyenda a los hechos históricos?

En este artículo, nos acercamos a la realidad de los descubrimientos científicos y nos referimos en particular a las historias de algunos elementos químicos. Además de presentar algunos aspectos menos conocidos sobre estos descubrimientos, estos relatos también ilustran la complejidad inherente a cualquier historia que trate sobre un descubrimiento científico, tanto en el pasado como en la actualidad. 

Descubrimiento y nacionalidad

Un área que a menudo es compleja es la atribución del descubrimiento de un elemento químico a algún país en específico. Esta idea se ilustra en la figura 1,  que es una versión de la tabla periódica que muestra el país en donde se descubrió cada elemento. 

Estas representaciones sugieren que existe un momento exacto en el que se hizo el descubrimiento para cada elemento (quizás con un sentido oculto de competencia nacional). Por ejemplo, en el caso del radio (88) y el polonio (84), estos se muestran como descubrimientos hechos en Francia. Aunque es cierto que el descubrimiento de estos elementos tuvo lugar en Francia, la científica principal, Marie Skłodowska Curie, era de Polonia. La pechblenda mineral de la cual las sustancias nuevas fueron extraídas, procedía de un pueblo que se encuentra actualmente en la República Checa, que en ese entonces era parte del imperio Austrohúngaro.

Los cambios del mapa geopolítico también causaron ambigüedades en el caso del elemento telurio (52). A este se le muestra con una bandera rumana, porque Franz-Joseph Müller von Reichenstein fue el primero en sospechar la presencia de un metal desconocido en la mena de la cuál más tarde se extrajo este elemento. Tanto la mena como von Reichenstein, eran de lo que actualmente se conoce como Rumania. Sin embargo, Rumania en ese entonces era parte del imperio Austrohúngaro. La atribución del descubrimiento a von Reichenstein también es controversial, ya que el telurio fue aislado por primera vez en 1789 por el químico alemán Martin Heinrich Klaproth, quien también propuso el nombre telurio  (Weeks, 1968). Pero atribuir el descubrimiento a Alemania también sería problemático porque Alemania no existiría como nación hasta 80 años después.    

Oxígeno: ¿un descubrimiento o tres?

Uno de los elementos para el cual generalmente se reconoce la controversia de su descubrimiento es el oxígeno. El químico británico Joseph Priestley caracterizó varios tipos de ‘aires’, o gases, entre 1772 y 1780. Cuando calentó lo que llamaban el calcinado rojo de mercurio (HgO), obtuvo un tipo de aire que era placentero al respirar y que además ayudaba a la combustión mucho más que el aire normal o que cualquier otro tipo de ‘aire’. Priestley llamó a este gas ‘aire desflogisticado’ porque se creía que el flogisto se liberaba a partir de la combustión de las sustancias. Como este aire nuevo servía mucho mejor para la combustión que cualquier otro, era obvio que estaba completamente libre de flogisto.

Antoine-Laurent Lavoisier, el francés que revolucionó la química a finales del siglo XVIII, también estaba experimentando con ‘aires’. Cuando se conocieron en 1774, Priestley conversó con Lavoisier acerca de sus experimentos antes de que estos fueran publicados. Lavoisier repitió el experimento con el calcinado de mercurio y llegó a la misma conclusión: se producía un gas nuevo. Sin embargo, se negó a aceptar la teoría del flogisto y nombró al gas ‘oxígeno’, que significa ‘productor de ácido’ en griego. Lavoisier veía al oxígeno como un elemento, es decir, como uno de los constituyentes fundamentales de la materia. Por esta razón, lanzó la teoría de la combustión del oxígeno, que se usa hasta nuestros días.

Unos años antes de que Priestley y Lavoisier realizaran sus experimentos, el químico suizo Carl Wilhelm Scheele había descubierto el mismo tipo de ‘aire’ y lo llamó el ‘aire de fuego’ porque ayudaba muy bien a la combustión. Sin embargo, no logró publicar sus hallazgos sino hasta 1777.

Por lo tanto, ¿a quién se le debe dar el crédito del descubrimiento del oxígeno y por cuál logro? ¿A Scheele, quien fue el primero en realizar el experimento para obtener el gas nuevo? ¿A Priestley, quien fue el primero en publicar su trabajo sobre el nuevo ‘aire’? ¿O a Lavoisier, quien colocó al gas en el contexto de la química moderna y quien finalmente lo identificó como un elemento? En la figura 1, las tres banderas aparecen en el lugar del oxígeno (8) en la tabla periódica, lo que demuestra que esta controversia aún no ha sido resuelta. 

La controversia en torno al descubrimiento del oxígeno se llevó a una obra de teatro (Djerassi and Hoffmann, 2001), en la que los tres protagonistas (con sus compañeras de vida) participan en reuniones imaginarias del comité Nobel donde abordan la cuestión sobre quién merece el crédito del descubrimiento. 

Radón: elementos e isótopos.

Con el descubrimiento de la radioactividad al principio del siglo XX, rápidamente salieron a la luz muchas sustancias radioactivas nuevas. Sin embargo, se necesitó tiempo para investigar estas nuevas sustancias que habían sido descubiertas y para decidir qué era realmente la radioactividad. Mendeléyev construyó su sistema periódico sobre el principio de que los elementos eran entidades estables. Sin embargo, en 1902 algunos físicos sugirieron que la radioactividad podía transformar un átomo elemental en un átomo de otro tipo, como si fuese una especie de alquimia moderna. Los problemas iniciales asociados a la interpretación de los hechos empíricos se ilustran en la historia del radón.

En 1899, Ernest Rutherford, que trabajaba en la Universidad Mc Gill en Montreal, Canadá, observó que el torio producía una ‘emanación’ que hacía que el aire a su alrededor se volviera radioactivo. Al siguiente año, el físico alemán Friedrich Ernst Dorn, demostró que el radio también generaba una emanación, (los esposos Curie habían hecho una observación similar anteriormente). Dorn buscaba líneas espectrales nuevas y desconocidas en la emanación, lo cual demostró su sospecha de que se trataba de un elemento nuevo. Al mismo tiempo, Rutherford empezó a examinar sistemáticamente la naturaleza de la emanación del radio (Malley, 2011). Durante la época en la que trabajó junto a su estudiante de doctorado, Harriet Brooks,  Rutherford describió a la emanación de las fuentes de radio como un gas de peso molecular alto que no podía ser un vapor del radio y llegó a la conclusión implícita de que este era un gas radioactivo desconocido. La prueba de que efectivamente se trataba de un elemento del grupo de los gases nobles, llegó en 1910 cuando William Ramsay y Robert Whytlaw-Gray produjeron un espectro único, similar a los espectros de los gases inertes (Marshall and Marshall, 2003).

Actualmente, sabemos que la emanación del torio era el isótopo de radón Rn-220 y la emanación del radio era el isótopo de radón Rn-222. En las décadas siguientes, se reportaron otros isótopos de radón, lo que generó una gran variedad de nombres, como: actón, actineon, exradio, exradium, extorio, extorium, exactinio, niton, radeón, radón, toreón y torón. El nombre ‘radón’ se adoptó de manera oficial mucho más tarde, en 1931. El término ‘emanación’ todavía se podía encontrar en contribuciones científicas a principios de los años 60s. 

Así que ¿quién descubrió el radón y qué etapa de un proceso tan largo y complejo se considera como descubrimiento? Los historiadores y los químicos no han logrado ponerse de acuerdo y cuentan a Curie, Dorn, Rutherford o a Ramsay y Whytlaw-Gray como los descubridores del radón. A Harriet Brooks, la estudiante de doctorado a quien Rutherford reconoció por descubrir que la emanación era un gas radioactivo, casi nunca se le da crédito. (Rayner-Canham and Rayner-Canham, 2004).

Ástato y síntesis artificial

En la mayoría de los casos, el progreso para identificar elementos nuevos ha dependido de los desarrollos técnicos.  En 1932, la francesa Yvette Cauchois, desarrolló un tipo de espectrómetro que permitió estudiar los espectros de elementos que producen líneas espectrales débiles. Cauchois y su colega rumano Horia Hulubei, encontraron líneas espectrales nuevas producidas por el decaimiento radioactivo del radón y opinaban que estas correspondían a las de un elemento de número atómico 85, que aún no había sido detectado en esa época. 

Unos años después en Viena, un equipo de mujeres austriacas, Berta Kalik y Traude Bernert, detectaron dos isótopos naturales del elemento 85 y publicaron sus hallazgos en 1942 y 1943 (Lykknes and Van Tiggelen, 2019). Sin embargo, lo que los investigadores franco-rumanos y las investigadoras austriacas no sabían, era que los átomos del elemento 85 ya habían sido sintetizados en Berkeley, California en 1940. Los científicos detrás de esta investigación (Dale Corson, Kenneth MacKenzie y Emilio Segre) usaron un ciclotrón para sintetizar el elemento, por medio del bombardeo del bismuto-209 con partículas alfa. 

En 1947, en un artículo de la revista Nature dedicado a los elementos químicos faltantes, el prominente químico Friedrich Paneth sugirió que el descubrimiento de los elementos químicos debería ser como regla general, atribuido al primer equipo que lograra tanto sintetizar como caracterizar uno o más isótopos del elemento nuevo. De acuerdo con Paneth, en el caso del elemento 85, era indiscutible que era el equipo americano quien merecía dar nombre al elemento nuevo. Escogieron el nombre ástato, que proviene del griego astatos, que significa ‘inestable’.

Competencia y consenso

Paneth también realizó revisiones autoritativas en el descubrimiento de otros siete elementos (43, 61, 87, 93, 94, 95 y 96) y estableció los principios que dictan quién tiene el derecho a darle nombre al elemento nuevo. En su opinión, debe ser el primer científico que proporcione una prueba definitiva de la existencia de uno de los isótopos del elemento, sin discriminar entre isótopos naturales o producidos artificialmente. Estos principios fueron adoptados por la comunidad científica en 1947. Por lo que producir, observar e identificar elementos, así como proporcionar pruebas de su existencia, son parte de la misma misión. 

Sin embargo en ese entonces, como hoy en día, existían pocos lugares con la tecnología necesaria para producir elementos nuevos: el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los EE. UU., el Centro GSI Helmholtz para Investigación de Iones Pesados en Alemania, el Instituto Central de Investigaciones Nucleares en la URSS (más tarde Rusia) y RIKEN en Japón. Aunque actualmente existe un mayor consenso en cuanto a lo que constituye un descubrimiento, las controversias no son menos intensas, ya que estos laboratorios dependen unos de otros para confirmar sus hallazgos, al mismo tiempo que compiten entre sí. 

El descubrimiento científico en contexto

Los científicos de todas las disciplinas saben, con base en la práctica diaria, que el descubrimiento es un proceso. En cuanto al reciente hallazgo de un exoplaneta nuevo, un descubridor de planetas comentó: “No existe un momento exacto en el que ocurre el descubrimiento” ^w1. En este caso, como en la mayoría, el ‘descubrimiento’ fue aparente una vez visto dentro del contexto de la investigación general, lo cual requirió de un gran equipo así como décadas de experiencia y desarrollo. La ciencia no es una empresa impulsada hacia adelante por algunos genios solitarios, ni tampoco sigue una narrativa linear. En la historia de la ciencia, los detalles y la complejidad son siempre parte de ella. 

Download

Download this article as a PDF