Filosofía de la química

Esta voz ofrece un estudio de algunos de los principales tópicos en la filosofía contemporánea de la química, seleccionados de la literatura actual. En la Sección 1 se revisan los obstáculos que han impedido el desarrollo de la disciplina, así como su vigoroso presente. La Sección 2 concierne al antiguo y complejo problema de la relación entre química y física. Dos ejemplos que involucran a estas dos disciplinas –el estatus ontológico de los orbitales atómicos y el problema de la estructura molecular– se analizan en detalle en la Sección 3 y la Sección 4, respectivamente. El problema de la naturaleza del enlace covalente se aborda en la Sección 5. Una de las principales categorías del mundo químico es el concepto de “elemento”, noción que muestra serias dificultades cuando tiene que elucidarse, y que se revisa en la Sección 6. Algunos problemas concernientes a los fundamentos de la tabla periódica –el ícono de la ciencia química– se desarrollan en la Sección 7. El renovado interés en el estudio de las clases naturales en el mundo químico se aborda en la Sección 8. Por último, se describen algunos otros temas objeto de reflexión filosófica, así como las tendencias en este campo de investigación.

1 Breve historia de la filosofía de la química   ↑

La historia de la filosofía de la ciencia del siglo XX, especialmente la tradición anglosajona, muestra que los problemas filosóficos de la química fueron prácticamente ignorados o descuidados. La obsesión de los filósofos de la ciencia con la física teórica les llevó a prestar poca atención no sólo a la reflexión filosófica sobre la química, sino también a otras ramas de las ciencias. En el caso de la química, esta situación es particularmente sorprendente dada su rica historia como disciplina científica y su posición en el contexto actual de las ciencias naturales. Aunque la química tiene una amplia popularidad desde mediados del siglo XIX, sólo existían unas pocas publicaciones aisladas en el campo de la filosofía de la química en las primeras cinco décadas del siglo XX. En el período de 1949 a 1986, una serie de revistas de Europa del Este publicaron obras filosóficas sobre diversos temas del mundo químico (van Brakel 2000).

Las causas que han impedido el desarrollo de la filosofía de la química son variadas. Entre ellas, la mecánica cuántica ha jugado un papel decisivo en la relación entre química y física: el impresionante éxito de la teoría condujo a muchos físicos y filósofos de la ciencia a aceptar que la química puede ser completamente reducida a la física. Este punto de vista se expresa claramente en el famoso dictum de Paul Dirac en 1929, según el cual la totalidad de la química puede ser deducida a partir de la mecánica cuántica. Este tradicional supuesto no sólo priva a la filosofía de la química de legitimidad como un campo de investigación filosófica, sino que también atenta contra de la autonomía de la química como disciplina científica: mientras que la física resulta ser una ciencia “fundamental” que describe la realidad en sus aspectos más profundos, la química se concibe como una ciencia “meramente fenomenológica”, que sólo describe los fenómenos tal como se nos aparecen. Esta supuesta diferencia entre ambas disciplinas está de acuerdo con la tradicional jerarquía de las ciencias naturales, enraizada en el pensamiento positivista de finales del siglo XIX. Debido a su carácter fundamental, la física se encuentra en la parte superior de la jerarquía, mientras que la química es relegada a una posición inferior, en la medida en que, se supone, puede derivarse de las leyes físicas fundamentales.

En estrecha relación con este supuesto, es posible añadir un realismo ingenuo adoptado, en general, por físicos y químicos: el objeto de nuestro conocimiento es una única ontología. Es decir, sobre la base de un enfoque reduccionista de la relación entre el mundo químico y el mundo físico, la química se considera sólo un capítulo de la física y los químicos son percibidos como científicos que hacen “física aplicada”. Pero, como subraya Nikos Psarros (1998), esto lleva a la conclusión de que la química no es susceptible de análisis filosófico, y esto es en sí mismo una afirmación filosófica.

Existen además otros factores que han contribuido a demorar el desarrollo de la filosofía de la química como subdisciplina. La percepción de que la química está estrechamente vinculada a la tecnología (fabricación de medicamentos, productos industriales, etc.), además de cierta campaña anticientífica, y especialmente antiquímica, en los medios de comunicación junto con los problemas ambientales actuales, no favorecen la imagen de la química en la sociedad. Otro argumento en contra de la existencia de un campo de investigación interdisciplinario entre filosofía y química se refiere a la ausencia de una “crisis” en la ciencia química que haya marcado el curso de su evolución. Esta crisis fue muy importante en el desarrollo de la física a principios del siglo XX con la llegada de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Del mismo modo, las teorías neodarwinianas modificaron en gran medida el desarrollo de la biología, cuyo espacio de pensamiento filosófico se inició en la década de 1970.

La negación de la filosofía de la química como un campo legítimo de investigación filosófica sufrió un importante giro a mediados de la década de 1990, especialmente en Gran Bretaña, Estados Unidos y Alemania, junto con algunos grupos aislados en Holanda, Bélgica e Italia que habían surgido a fines de 1980. Desde entonces, químicos, filósofos e historiadores de la química comenzaron a trabajar de manera relativamente formal, celebrando reuniones periódicas en varios países. Además, la construcción de puentes entre la química y las humanidades fue impulsada por la industria química cuando la imagen pública de la química estaba en su peor momento (Schummer 2003). En 1994 se llevaron a cabo una serie de conferencias internacionales en Londres, Karlsruhe, Marburgo y Roma. Desde 1997 la International Society for the Philosophy of Chemistry lleva a cabo simposios anualmente. En los últimos años, el simposio se celebró en Bogotá (2011), Montevideo (2013) y Río de Janeiro (2015) ampliando así la subdisciplina a Sudamérica.

Dos revistas surgieron en este contexto: Hyle – International Journal for Philosophy of Chemistry (desde 1995) y Foundations of Chemistry (desde 1999). Algunas excelentes monografías y antologías se han publicado hasta la fecha por prestigiosas editoriales (Oxford University Press, Boston Studies in the Philosophy of Science, Elsevier). Del mismo modo, un foro de discusión en Internet (Philchem) lidera el intento de sumar a mayor número de químicos y filósofos a esta emergente subdisciplina de la filosofía de la ciencia.

2 El problema de la relación entre química y física   ↑

Los historiadores de la ciencia saben muy bien que la química y la física son herederas de tradiciones muy diferentes. La física moderna es el resultado de una combinación inesperada pero fructífera del mecanicismo propuesto por Descartes con el corpuscularismo formulado por Robert Boyle y otros pensadores británicos. Por el contrario, la química se puede considerar como una derivación de la alquimia medieval, de la cual la química heredó un gran interés en sus aplicaciones prácticas. Mientras que la física tuvo como objetivo describir y explicar la realidad “en sí misma”, los principales objetivos de la química siempre implicaron la manipulación y transformación de las sustancias. Como consecuencia de ello, hasta la segunda mitad del siglo XIX, la química y la física eran dos disciplinas independientes, cada una con sus propios objetivos y metodologías.

La situación comenzó a cambiar con el advenimiento de la mecánica cuántica, cuyo impactante éxito dio sustento a la idea de que la química es una rama de la física: la química supuestamente se ocupa de sistemas complejos y procesos particulares que, sin embargo, podrían ser descritos y explicados exclusivamente mediante la teoría cuántica. Ya en 1929 Paul Dirac expresaba la convicción de que, puesto que las leyes fundamentales que rigen el comportamiento de los componentes del átomo se han vuelto conocidas, hacer química significa lidiar con las ecuaciones suministradas por la física: “Las leyes subyacentes necesarias para la teoría matemática de una gran parte de la física y la totalidad de la química son así completamente conocidas, y la dificultad radica en que sólo las aplicaciones exactas de estas leyes llevan a ecuaciones que resultan demasiado complejas para ser resueltas” (Dirac 1929, 714).

La afirmación de Dirac se considera habitualmente como el pronunciamiento más claro acerca de la derivabilidad de la química respecto de la física. Sin embargo, una afirmación anterior del físico Paul Langmuir en 1921 apenas se conoce, aunque expresa una posición aún más fuerte: “Creo que dentro de unos pocos años vamos a ser capaces de deducir el 90 por ciento de todo lo que está en los libros de texto de química, deducirlo como usted lo necesite, desde principios ordinarios simples, conociendo hechos definidos en lo que se refiere a la estructura de los átomos” (citado en Scerri 1994, 162). Esta visión adquirió rápidamente el estatus de un dogma, y fue adoptada por muchos autores que trabajan en los campos de la química, la física y la filosofía.

El problema de la relación entre química y física, generalmente conocido como “el problema de la reducción de la química a la física”, es el tópico de mayor madurez de la subdisciplina. Este problema puede plantearse de la siguiente forma: ¿Cuál es la relación entre el mundo químico y el mundo físico? ¿Es la química una disciplina científica autónoma o, por el contrario, es una mera rama de la física? ¿Existe una relación de interdependencia entre ambas disciplinas?

Cuando el problema a abordar es la reducción, el primer paso es distinguir entre reducción ontológica y reducción epistemológica. En su versión tradicional, la reducción ontológica se refiere a la dependencia ontológica de las entidades, propiedades y regularidades de un estrato de la realidad sobre las entidades, propiedades y regularidades de otro estrato considerado como ontológicamente fundamental. Por lo tanto, el reduccionismo ontológico es una tesis metafísica que postula la prioridad ontológica de un cierto nivel de la realidad a la que todos los otros niveles se reducen directa o indirectamente. La reducción epistemológica se refiere a la relación entre las teorías científicas: una teoría se puede reducir a otra cuando puede deducirse de esta última. Por  tanto, el reduccionismo epistemológico es una tesis epistemológica según la cual la ciencia puede ser –o debería ser– unificada deduciendo todas las teorías científicas a partir de una privilegiada.

Sólo en las últimas décadas algunos autores han comenzado a argumentar en favor de la liberación de la química de las limitaciones impuestas por el pensamiento físico. En algunos casos, la autonomía de la química como disciplina científica es defendida sobre la base de argumentos históricos, enfatizando las diferentes tradiciones históricas que han marcado la evolución de la química y de la física (Vancik 1999). Sin embargo, la línea habitual de argumentación propuesta por los filósofos de la química para defender la autonomía de la química señala la imposibilidad de reducir algunos conceptos químicos (ej. composición, enlace o estructura molecular) y propiedades (ej. quiralidad) a la física fundamental. En otras palabras, se argumenta que la reducción epistemológica de la totalidad de la química a la física es imposible. Por ejemplo, Vemulapalli y Byerly (1999) afirman que la reducción epistemológica falla incluso en casos relativamente simples: en general, las propiedades de un sistema químico no pueden explicarse en términos de las propiedades de los microcomponentes físicos; e incluso cuando las propiedades de un macrosistema químico se pueden derivar de esos microcomponentes, esto requiere supuestos adicionales relacionados con los fenómenos macroscópicos.

Van Brakel (1997) analiza la tradicionalmente aceptada reducción de la termodinámica a la mecánica estadística señalando correctamente que, en general, la temperatura no puede definirse como la energía cinética molecular media: esto es verdadero para gases perfectos compuestos de moléculas ideales (“bolas de billar”) en movimiento aleatorio, pero no para sólidos, plasmas o en el vacío. Según van Brakel, todos los problemas que involucran reducción interteórica parecen relacionarse con la noción macroscópica de equilibrio, una noción central de la termodinámica: por ejemplo, el concepto macroscópico de temperatura sólo tiene sentido para sistemas en equilibrio pero, microscópicamente, no hay tal cosa como equilibrio.

Desde una perspectiva similar, Scerri y McIntyre (1997) introducen la distinción entre “reducción cuantitativa” y “reducción conceptual”. La primera se refiere al cálculo de propiedades químicas a partir de teorías físicas, en particular, de la mecánica cuántica. Esta clase de reducción requiere técnicas de aproximación que sólo pueden justificarse sobre una base post hoc, esto es, sobre la base de datos observados experimentalmente. Por otra parte, la reducción conceptual se refiere a la definición de conceptos químicos en términos de conceptos físicos. Según los autores, esta forma de reducción no es posible debido a la propia naturaleza de los conceptos químicos: los conceptos de composición, enlace o estructura molecular no pueden expresarse sino sólo en un nivel químico. Como resultado de la imposibilidad de ambas reducciones, deberíamos “renunciar a reducir epistemológicamente la química a la física” (Scerri y McIntyre 1997, 220).

En resumen, la idea tradicional de que la química es una rama de la física ha comenzado a ser cuestionada al señalarse que los conceptos químicos y las leyes difícilmente se pueden deducir de las teorías físicas. En particular, nociones químicas centrales como enlace, quiralidad, forma molecular u orbital, entre otras, no son susceptibles de tratamiento mecánico-cuántico riguroso. Por supuesto, tal fracaso garantiza la autonomía metodológica de la química como disciplina científica: en la medida en que existan conceptos genuinamente químicos, los químicos pueden continuar con su trabajo sin preocuparse, ya que los físicos no van a reemplazarlos en los laboratorios.

Las discusiones acerca de la supuesta reducción de la química a la física siguen la filosofía tradicional de la ciencia del siglo XX al centrarse en cuestiones epistemológicas: la conclusión es que no todos los conceptos y leyes de la química pueden deducirse a partir de los conceptos y las leyes de la física. Sin embargo, las cuestiones ontológicas normalmente no van más allá de aceptar incondicionalmente la reducción ontológica.

Sin embargo, cuando se ignoran las cuestiones ontológicas se pierde de vista una importante pregunta filosófica: ¿Por qué es la química una ciencia “secundaria”? La respuesta a esta pregunta depende en gran medida del supuesto de la reducción ontológica: si el mundo físico reductor tiene prioridad ontológica sobre el mundo químico reducido, los conceptos químicos que no son reducibles a la mecánica cuántica refieren a entidades aparentes o secundarias dotadas de un estatus ontológico derivado; por ejemplo, la noción de forma molecular resulta ser, en palabras de la Woolley (1982, 4), sólo una “poderosa e iluminadora metáfora”.

Algunos filósofos de la química han dirigido su atención a cuestiones ontológicas relacionadas con el carácter referencial de las descripciones químicas. Uno de ellos es van Brakel (2000), quien afirma que es necesario abandonar el paradigma del espejo de la naturaleza, según el cual cada espejo brinda una imagen autónoma diferente del mundo (o parte de él), pero uno de los espejos –la física ideal– muestra la realidad tal como es (ontológicamente hablando): los otros espejos brindan meras apariencias sin significado cósmico. Según este autor, este paradigma debería abandonarse negando la relación asimétrica entre química y física, y afirmando que no existe descripción privilegiada. Además, van Brakel subraya el hecho de que el fracaso de la reducción epistemológica no tiene implicancia alguna en la interpretación de los conceptos químicos y su relación con lo que es “real”. Si no hay una descripción privilegiada, tanto los conceptos químicos como los mecánico cuánticos pueden ser “poderosas y esclarecedoras metáforas”. Sobre esta base, van Brakel concluye que deberíamos ser lo suficientemente tolerantes para dejar el mismo “espacio ontológico” para el agua “manifiesta”, el agua en términos de la teoría termodinámica de las sustancias, la estructura molecular del agua (“construida” fuera de las mediciones espectroscópicas), las ecuaciones mecánico cuánticas “correctas” para una molécula de agua aislada, y para los experimentos con moléculas de agua aisladas que, dependiendo de la técnica de medición, muestran aproximadamente la estructura molecular “clásica”.

Lombardi y Labarca (2005, 2006) han subrayado que el fracaso de la reducción epistemológica no es lo suficientemente fuerte como para eliminar la idea de una dependencia jerárquica de la química en relación con la física. El rechazo de la posición secundaria de la química y la defensa de la legitimidad de la filosofía de la química requiere una perspectiva filosófica radicalmente diferente, que niega no sólo la reducción epistemológica sino también la reducción ontológica. En este sentido, tales autores proponen un pluralismo ontológico filosóficamente fundado para apoyar la autonomía ontológica del mundo químico y, con ello, revertir la idea tradicional de la “superioridad” de la física en el contexto de las ciencias naturales. Mientras algunos autores se muestran escépticos acerca de los alcances de la autonomía ontológica propuesta (Needham 2006a), otros consideran que esta posición filosófica abre un camino para abordar el problema (Scerri 2005, McIntyre 2007). El debate se ha reanimado recientemente con un trabajo de Manafu (2012) donde se critica la tesis del pluralismo ontológico, y una réplica junto con nuevos argumentos en favor de la autonomía ontológica de la química por parte de Lombardi (2013).

Al mismo tiempo, las nociones de “emergencia” (Luisi 2002, Bishop 2005) y “superveniencia” (Newman 2008) se han propuesto para comprender la relación entre mundo químico y mundo físico. En este complejo escenario, se ha argumentado que, dada la enorme variedad de posibles relaciones interteóricas, la proliferación de definiciones de reducción, superveniencia, emergencia, unificación, etc., un posible camino a seguir es brindar representaciones perspicaces de la práctica de la química, vale decir, analizar casos de estudio y los nuevos debates acerca de ellos, en lugar de proseguir con disputas acerca de si la química puede ser reducida a la física, superviene de ella o ambas disciplinas pueden unificarse, y preocupaciones “metafísicas” similares (van Brakel 2003). Según van Brakel (2003), la pregunta “¿Puede reducirse la química a la física?” carece de sentido ya que los términos ‘química’ y ‘física’ son demasiado vagos. Por tanto, señala el autor, necesitamos preguntas más concretas tales como “¿Se puede brindar una descripción mecánico estadística o mecánico cuántica del punto triple en el equilibrio sólido, gas, líquido?” o bien “¿Podemos entender la noción de ‘sustancia química’ en un discurso mecánico cuántico?”.

3 El estatus del concepto de orbital   ↑

Como se destacó anteriormente, la relación entre química y física es uno de los tópicos más debatidos en la filosofía moderna de la química, ya que apunta al corazón mismo de la cuestión sobre la autonomía de la química. En la actualidad, hay un amplio consenso acerca de la imposibilidad de reducir el conjunto de la química a la física: los conceptos y las leyes de la química no pueden ser completamente traducidos ni reducidos a los conceptos y las leyes de la mecánica cuántica. Sin embargo, las cuestiones ontológicas fueron casi ignoradas bajo el supuesto de reducción ontológica: las entidades químicas, cuando se analiza adecuadamente, no son otra cosa que entidades físicas extremadamente complejas. En este sentido, el debate sobre el estatus ontológico de los orbitales atómicos es un ejemplo interesante para ilustrar cómo los problemas filosóficos tienen una repercusión relevante no sólo en los fundamentos de la química, sino también en la forma en que la química se enseña y se aprende.

El concepto de orbital es una noción clave en la ciencia química: se utiliza para explicar enlace, estructura química y reactividad. Las discusiones acerca de su significado quedaron cómodamente confinadas al ámbito epistemológico hasta fines de la década de 1990, particularmente en el campo de la educación en química. Pero el contexto general del debate comenzó a cambiar en septiembre de 1999, cuando una noticia conmocionó a las comunidades química y física. En su portada, la prestigiosa revista Nature anunció que los orbitales atómicos d de la cuprita (Cu₂O) habían sido fotografiados por primera vez. Esa primera afirmación fue seguida inmediatamente por una serie de comentarios, y las imágenes obtenidas por el grupo de investigación de la Arizona State University fueron identificadas de manera acrítica con los orbitales atómicos, tal como se presentan en los libros de texto. La noticia fue considerada como uno de los eventos más importantes de la química en ese año, y lo mismo ocurrió en el ámbito de la física.

El informe de la observación de orbitales atómicos llevó el debate directamente al terreno ontológico: ahora el problema resultaba ser la cuestión de decidir acerca de si los orbitales atómicos existen o no. En particular, en la comunidad filosófica se presentaron diferentes argumentos a la conclusión de que la visualización de orbitales es imposible por razones conceptuales. Incluso John Spence, el líder del equipo responsable del experimento, reconoció ese punto: cualquier similitud entre las imágenes reportadas y los orbitales de los libros de texto era totalmente fortuita. Aunque el debate filosófico parecía estar decidido teóricamente en favor de la no observabilidad de los orbitales, distintos experimentalistas siguieron reportando la visualización de orbitales, inclusive de orbitales moleculares.

En dos artículos publicados poco después del anuncio, Eric Scerri (2000a, 2001) enfrentó decididamente el nuevo problema ontológico y expresó su posición con claridad. Según él, los experimentos reportados como “visualización de orbitales” fueron malinterpretados, dado que los orbitales no son observables. Y tal inobservabilidad no depende de deficiencias experimentales, sino del simple hecho de que el término ‘orbital’ carece de referente: los orbitales no pueden ser observados ya que, estrictamente hablando, no existen.

Este debate es una manifestación de un problema que tiene profundas consecuencias para la enseñanza de la química, ya que los docentes de la disciplina no pueden prescindir del concepto de orbital en su enseñanza. Algunos autores han señalado que esta posición choca con el supuesto según el cual la mecánica cuántica tiene la última palabra sobre el tema: sólo el concepto de función de onda es legítimo; el término ‘orbital’ no tiene ninguna referencia en el mundo real. En particular, el punto de vista realista sobre los orbitales adoptado por los profesores de química resulta ser incompatible con su propia posición cuando introducen la mecánica cuántica como la teoría explicativa subyacente de los fenómenos químicos. Este problema es explícitamente señalado por Scerri (2000b) cuando planteó la pregunta: “¿Pueden los orbitales ser reales en química pero no en física?”. Parece bastante claro que esta situación paradójica tiene consecuencias negativas para una profunda comprensión de la disciplina por las siguientes razones: a) los estudiantes se enfrentan a la alternativa de vivir en una especie de “esquizofrenia conceptual” o aceptar que la química describe fenómenos meramente aparentes o “metafóricos”; y b) si la definición “correcta” del concepto de orbital atómico sólo radica en el campo de la física, los estudiantes que deciden estudiar química encontrarían que los libros de texto de su propia disciplina brindan una definición “incorrecta” del concepto. Esta situación parece ser también inadecuada desde el punto de vista metodológico.

Como era de esperar, algunos educadores químicos reaccionaron al enfoque normativista de Scerri, afirmando que la interpretación no-realista tendrá poco impacto sobre el uso de los orbitales en la enseñanza de la disciplina. A partir de ésta y otras críticas, Scerri (2006) comenzó a mitigar su posición adoptando finalmente una posición intermedia: si bien los orbitales no pueden observarse de acuerdo con la mecánica cuántica, los profesores pueden emplearlos de manera realista pero señalando cuidadosamente sus limitaciones.

Labarca y Lombardi (2010) han analizado el problema del concepto de orbital a la luz de los argumentos que niegan su carácter referencial desde el punto de vista ontológico. El punto de partida fue analizar la relación entre mecánica cuántica y química molecular. Mientras que en mecánica cuántica ‘orbital’ es un término que no refiere, en química molecular los orbitales existen como regiones espaciales que explican la forma de las moléculas locales e individuales. El argumento para rechazar la existencia de orbitales, señalan los autores, se basa en una premisa fundamental: la identificación entre ‘orbital’ y ‘función de onda’. Los autores ponen en cuestión tal identificación preguntándose entonces si éste es el concepto de orbital utilizado en química para hablar de las formas de los orbitales o para explicar el enlace químico. Algunos autores han cuestionado estas afirmaciones, señalando que dependen de cómo se interpreten los términos ‘orbital’ y ‘observación’ (Mulder 2011).

4 El problema de la estructura molecular   ↑

La noción de estructura molecular tiene un papel explicativo central en química. La idea de una disposición tridimensional definida de átomos unidos por una red de enlaces químicos que posee movimiento translacional, rotacional y vibracional es uno de los pilares de la ciencia química. Sabemos que la forma de las moléculas determina sus propiedades físicas, químicas y biológicas. El modelo clásico de estructura química ha actuado como una fructífera guía en la investigación química desde mediados del siglo XIX, y alguna veces es denominada “teoría molecular folk” (folk molecular theory) (Ramsey 1997).

La controversia acerca del estatus ontológico del concepto de estructura molecular tuvo su punto de partida en el controvertido y desafiante artículo del químico teórico Guy Woolley en 1978 (Woolley 1978). El autor señala que, desde el punto de vista de la teoría cuántica, la noción de estructura molecular no es una propiedad intrínseca de los sistemas químicos. En el mismo sentido, Primas (1983) puntualiza que la estructura molecular es sólo una poderosa y reveladora metáfora que no se corresponde con la realidad descrita por la mecánica cuántica. Weininger (1984) sostiene que, de ser así, la idea fundamental de que las moléculas se construyen de forma aditiva a partir de los átomos, que conservan su identidad esencial dentro de la molécula, se pone en tela de juicio. Sin embargo, Woolley (1982) hace hincapié en que el concepto de estructura molecular no debe ser abandonado en química, al tiempo que recuerda que dicha noción surgió en un contexto científico muy diferente del actual. Por su parte, como señala Scerri (2000b), la mayoría de los químicos reaccionaría con incredulidad a la idea de que la estructura molecular es sólo una “iluminadora metáfora”, ya que es un concepto central en la química moderna. La evidencia de su existencia proporcionada por la espectroscopia y otras modernas técnicas de microscopía rechazaría tal punto de vista. Precisamente sobre esta base Ramsey (1997) defiende una interpretación realista del concepto de estructura molecular. Argumenta que, mediante el uso de una descripción física del concepto, se aprecia que es ontológicamente reductible, aunque de manera aproximada. En consecuencia, la estructura molecular es un concepto aproximado con límites definidos. Además, señala –contra Woolley y Primas– que cuando el concepto se interpreta correctamente, es un “objeto de creencia”.

De acuerdo con el reduccionismo ontológico, la química molecular refiere a la ontología cuántica; por lo tanto, los compromisos ontológicos de la química resultan estar basados finalmente en la mecánica cuántica. Lombardi y Castagnino (2010) afirman que la confianza en la existencia de las entidades físicas descritas por la mecánica cuántica no tiene en cuenta los problemas de interpretación de la teoría, las dificultades se observan solamente del lado de la química, mientras que las cuestiones altamente controversiales del lado de la física se ignoran. Los autores analizan como ejemplo el caso de la aproximación de Born-Oppenheimer, tradicionalmente el recurso formal para conectar las descripciones químicas y cuánticas de sistemas moleculares. Lombardi y Castagnino señalan que una importante cuestión del lado de la física permanece inadvertida: el hecho de que los núcleos puedan ser tratados como partículas clásicas se encuentra en conflicto con la interpretación ortodoxa de la mecánica cuántica.

Admitiendo que la forma molecular no es un fenómeno del que puede dar cuenta la mecánica cuántica por sí misma, algunos autores han recurrido a la idea filosófica de emergencia. Tal es el caso de Hendry (2010), quien apela a dicha noción como una forma de superar el estancamiento actual en el que se encuentra el debate concerniente a la reducción epistemológica de la química, según su consideración. En particular, el autor propone la idea de ‘emergencia ontológica’ de la estructura molecular con respecto a los sistemas mecánico-cuántico de núcleos y electrones que interactúan mediante fuerzas electrostáticas.

En un artículo relativamente reciente, Cerro y Merino (2009) ponen en cuestión las limitaciones del  modelo clásico. Los autores analizan el caso de las moléculas con una estructura fluxional –es decir, en constante cambio–, por ende sin una estructura definida como el ciclohexano, el pentacarbonilo de hierro y el pentafluoruro de fósforo. Y aún más interesante es el caso del bulvaleno (C₁₀ H₁₀) donde los átomos de carbono y de hidrógeno son equivalentes, y a la temperatura de 120°C carece de enlaces carbono-carbono permanentes. La existencia de estas moléculas les permite a los autores argumentar en favor de concebir la estructura molecular como una propiedad dinámica de respuesta, y no como una propiedad estática. 

La noción de estructura molecular está estrechamente relacionada con la idea de identidad molecular. En efecto, en casi todas las descripciones químicas se considera que una molécula conserva su identidad cuando cambia su forma o estructura mediante vibraciones o rotaciones, pero la pierde cuando se forman o se rompen enlaces covalentes para producir una nueva estructura. Así, el concepto de estructura molecular concentra interesantes preguntas, a saber: ¿Es un concepto reductible o irreductible? ¿Es simplemente una noción que no tiene ninguna relación con la realidad? ¿Es un aspecto esencial de la identidad molecular?

Como puede observarse, el origen del conflicto sobre la interpretación de la forma molecular tiene sus raíces en el advenimiento de la mecánica cuántica en el campo de la química. Desde esta perspectiva, la noción de estructura carece de referente, dada la incerteza de la posición y de la trayectoria de los componentes moleculares. Pero, al mismo tiempo, el concepto de estructura molecular desempeña un papel central en las explicaciones químicas, incluso sobre un tema tan básico como la identidad de las moléculas. ¿Cuál es entonces el referente del término ‘estructura molecular’? El debate, como se observa, está lejos aún de saldarse.

5 La naturaleza del enlace químico   ↑

La noción de “enlace” es uno de los conceptos centrales de la ciencia química. De hecho, muchas de las investigaciones en la química moderna se enfocan sobre las propiedades dinámicas y el enlace químico. Las teorías actuales sobre el tema son herederas de los trabajos de Irving Langmuir, Walther Kossel y, sobre todo, de Gilbert Newton Lewis en las primeras décadas del siglo pasado. Con notable perspicacia, Lewis desarrolló su teoría varios años antes de la aparición de la mecánica cuántica y del concepto de orbital. En 1916 publicó un artículo, “El átomo y la molécula”, que permitió la comprensión de la naturaleza de los enlaces entre átomos no metálicos. El artículo también sentó las bases de nuestra comprensión actual de otro concepto fundamental de la química moderna: la estructura molecular. La teoría desarrollada por Lewis conceptualiza un enlace covalente como un par de electrones compartidos entre átomos.

Con el advenimiento de la mecánica cuántica en 1925-1926, una molécula se trata entonces como un sistema de electrones y núcleos que interactúan electrostáticamente. La concepción mecánico cuántica del enlace químico condujo a muchos de los esfuerzos para desarrollar las funciones de onda para la descripción de las propiedades de un átomo o una molécula dentro del formalismo de dicha teoría. De esta manera, dos teorías rivales proporcionaban una descripción del enlace químico en términos formales: la teoría de enlace de valencia (EV) y la teoría del orbital molecular (OM).

5.1 La teoría del enlace de valencia   ↑

La primera aplicación de la mecánica cuántica a un sistema químico fue desarrollada por los físicos alemanes Walter Heitler y Fritz London en 1927, y se convirtió en la base para los tratamientos posteriores del tema. En este trabajo los autores utilizan una técnica perturbacional para resolver la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo de una función de onda electrónica construida para representar la molécula de hidrógeno (H₂). Para elaborar tal función de onda, el sistema se concibe compuesto de dos núcleos y dos electrones completamente separados. Sobre esta base, la función de onda se representa como sigue:

Ψ = Ψ_a(1) Ψ_b(2)

donde 1 y 2 representan los electrones y Ψ_a y Ψ_b denotan las funciones de onda atómicas del hidrógeno en el estado basal (1s) para los núcleos a y b respectivamente. Debido a que los electrones son partículas indistinguibles y cumplen con el principio de exclusión de Pauli, existiría también una segunda posibilidad equivalente para representar la molécula en la cual los electrones cambian de núcleo al cual se encuentran asociados:

Ψ = Ψ_a(2) Ψ_b(1)

Estas dos posibilidades son dos descripciones igualmente aceptables del sistema, de modo que la mejor forma de representar la molécula de H₂ es mediante una combinación lineal de las dos posibilidades:

Ψ = Ψ_a(1) Ψ_b(2) + Ψ_a(2) Ψ_b(1)

Al resolver esta ecuación para encontrar la energía del sistema enlazado, se encontró que en el enlace del hidrógeno molecular hay un fuerte componente electrostático, pero la mayor parte de la energía provenía de la naturaleza mecánico cuántica del sistema, que fue descrita como una energía de intercambio o de resonancia, la cual corresponde al intercambio de los dos electrones tal como se describe en el enfoque EV.

Si bien es posible diseñar estructuras de Lewis que representen las posiciones de los electrones en las moléculas, de acuerdo con la mecánica cuántica el estado real de la molécula es un híbrido entre diferentes estructuras resonantes clásicamente ligadas y, por tanto, se representa como una superposición de los estados correspondientes a tales estructuras clásicas. Sin embargo, la EV no queda al margen de la química estructural, porque cada término de la función de onda corresponde a una estructura química definida.

El trabajo de Heitler y London fue considerado como la demostración de la base mecánico cuántica del enlace químico. De acuerdo con Harris (2008), este trabajo ha constituido la base del argumento según el cual la química puede ser teóricamente reducida a la física. Pese a la amplia aceptación del trabajo inicial de Heitler y London, Linus Pauling fue el responsable de popularizar el enfoque EV dentro de la química. En particular, la generalización a las moléculas poliatómicas se debió a los trabajos de Pauling, John C. Slater, Henry Eyring, Michael Polanyi y George Wheland.

5.2 La teoría del orbital molecular   ↑

Al mismo tiempo que se desarrollaba la EV, surgió un enfoque alternativo para explicar el enlace químico. La teoría del orbital molecular se basaba en dos supuestos fundamentales. El primero de ellos, denominado campo autoconsistente (SCF por sus siglas en inglés), considera que para un electrón cualquiera su distribución de carga media es exactamente igual a la obtenida cuando de la ecuación de Schrödinger se toma el campo potencial como debido a las cargas de los núcleos y al promedio de la carga de los otros electrones. Para obtener la función de onda de un electrón se requiere asumir la función de onda de los otros, y para encontrarla es necesaria una segunda suposición: cuando un electrón está cerca de un núcleo particular en un sistema molecular, todas las fuerzas que actúan sobre él son debidas a ese núcleo y a los electrones cercanos al mismo. La función de onda de ese electrón es muy aproximada a la función de onda del átomo aislado. Para representar estas dos características básicas de la OM, la manera más apropiada para generar una función de onda molecular para cada electrón es mediante una combinación lineal de orbitales atómicos (CLOA). Esta función de onda se denomina orbital molecular y de ahí debe su nombre la teoría. La misma se debió principalmente a la obra de Friedrich Hund y Robert Mulliken, con importantes contribuciones de John Lennard-Jones, Erich Hückel y Charles Coulson.

En el caso de la molécula de hidrógeno los dos orbitales atómicos (1s) del estado basal se pueden combinar de dos maneras diferentes. La primera combinación Ψ^s da como resultado una función simétrica con respecto al plano de los dos núcleos, y la segunda Ψ^a da como resultado una función antisimétrica:

Ψ^s = Ψa + Ψb o Ψ^a = Ψa - Ψb

La combinación simétrica es de menor energía que la de los orbitales atómicos 1s del hidrógeno separados; por ello, en este caso, el orbital molecular se denomina de enlace. Cuando la combinación es antisimétrica el orbital molecular es de antienlace. Los electrones en una molécula descrita por la OM son añadidos de forma adiabática al sistema molecular, de tal manera que primero ocupan los orbitales moleculares de menor energía y, dado el principio de exclusión de Pauli, sólo pueden ocupar orbitales moleculares un par de electrones que tengan espín contrario. Según la OM, la combinación de orbitales moleculares que son ocupados por diferentes electrones es la mejor manera de describir una ecuación de onda para la molécula de hidrógeno, en la cual los dos electrones se encuentran en el orbital molecular de enlace Ψ